(57)【要約】【課題】画素の微細化を達成しつつ、２次元撮像及び３次元撮像の同時撮像を可能にした半導体装置の駆動方法を提供する。また、高精度な移動体の位置検出を可能にした半導体装置の駆動方法を提供する。【解決手段】同一の照射時間の第１の照射及び第２の照射を行い、第１の照射及び第２の照射に対応させて、第１の撮像及び第２の撮像を行い、第１の撮像及び第２の撮像において、光の到着時間の時間差に依存した第１の検出信号及び第２の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する。また、可視光を吸収し、赤外光を透過する第１のフォトセンサ、及び赤外光を吸収する第２のフォトセンサを重畳することで２次元撮像及び３次元撮像の同時撮像を可能にする。また、隣接するフォトセンサで被検出物のほぼ同一点からの反射光を検出する事で、高速で移動する被検出物においても位置検出精度の低下を防げる。【選択図】図１
2013068606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から、被検出物に対して、第１の照射及び前記第１の照射とタイミングが異なる第２の照射を同一時間行い、
前記第１の照射による前記被検出物からの第１の反射光、及び前記第２の照射による前記被検出物からの第２の反射光を、フォトダイオードによって検出し、
前記フォトダイオードから出力される光電流を用いて、ノードに蓄積される電荷量を変化させるトランジスタのゲート電極の電位を、
第１の撮像を行うために、前記第１の照射開始以後で第１の照射期間と第１の反射期間が重なる間に高電位とし、
且つ第２の撮像を行うために、第２の照射終了以後で第２の反射期間の間に高電位とし、
前記第１の照射期間の開始時刻と、前記第１の反射期間の開始時刻との時間差をΔｔ、
比例定数をαとし、
前記第１の撮像から、第１の検出信号Ｓ１を取得し、
前記第２の撮像から、第２の検出信号Ｓ２を取得し、
前記第１の検出信号及び前記第２の検出信号を用いて、
前記光源から前記被検出物までの距離ｘを、前記第１の照射期間をＴ、光速をｃとし、次式
【数１】
2013068606.tif 000012
に従って測定する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項２】
光源から、被検出物に対して、第１の照射及び前記第１の照射とタイミングが異なる第２の照射を同一時間行い、
前記第１の照射による前記被検出物の第１の反射光及び前記第２の照射による前記被検出物の第２の反射光を、フォトダイオードによって検出し、
前記フォトダイオードから出力される光電流を用いて、ノードに蓄積される電荷量を変化させるトランジスタのゲート電極の電位を、
前記トランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続された前記ノードに蓄積される電荷の変化量が多い第１の撮像を行うために、前記第１の照射開始以後で第１の照射期間と第１の反射期間が重なる間に高電位とし、
前記トランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続された前記ノードに蓄積される電荷の変化量が少ない第２の撮像を行うために、第２の照射終了以後で第２の反射期間の間に高電位とし、
前記第１の照射期間の開始時刻と、前記第１の反射期間の開始時刻との時間差をΔｔ、
比例定数をαとし、
前記第１の撮像から、第１の検出信号Ｓ１を取得し、
前記第２の撮像から、第２の検出信号Ｓ２を取得し、
前記第１の検出信号及び前記第２の検出信号を用いて、
前記光源から前記被検出物までの距離ｘを、前記第１の照射期間をＴ、光速をｃとし、
次式
【数２】
2013068606.tif 000013
に従って測定する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項３】
可視光を吸収し、第１の赤外光及び第２の赤外光を透過する第１の半導体層を有する第１のフォトダイオードと、
前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光を吸収する第２の半導体層を有する第２のフォトダイオードとを、重畳して設けた半導体装置の駆動方法であって、
光源から、被検出物に対して、第１の赤外光照射及び前記第１の赤外光照射とタイミングが異なる第２の赤外光照射を同一時間行い、
前記第１のフォトダイオードによって、前記可視光を吸収し、
前記第１のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第１のノードに蓄積される電荷量を変化させる第１のトランジスタのゲート電極の電位を、
少なくとも前記第１の赤外光による前記被検出物からの反射光が、前記第１のフォトダイオードに照射されるより前から、前記第２の赤外光による前記被検出物からの反射光が、前記第１のフォトダイオードに照射された後までの間は高電位とし、
該高電位期間の可視光を検出することで前記被検出物の２次元情報を取得し、
前記第２のフォトダイオードによって、前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光を吸収し、
前記第２のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第２のノードに蓄積される電荷量を変化させる第２のトランジスタのゲート電極の電位を、
前記第１の赤外光照射開始以後で第１の赤外光照射期間と第１の赤外光反射期間が重なる間に高電位とし、
該高電位期間の第１の赤外光を検出することで、第１の検出信号Ｓ１を取得し、
且つ、前記第２の赤外光照射終了以後で第２の赤外光反射期間の間に高電位とし、
該高電位期間の第２の赤外光を検出することで、第２の検出信号Ｓ２を取得し、
前記第１の赤外光照射の開始時刻と、前記第１の赤外光反射期間の開始時刻との時間差をΔｔ、
比例定数をαとし、
前記第１の検出信号Ｓ１及び前記第２の検出信号Ｓ２を用いて、
前記光源から前記被検出物までの距離ｘを、前記第１の赤外光照射期間をＴ、光速をｃとし、
次式
【数３】
2013068606.tif 000014
に従って測定することで、前記被検出物の３次元情報を取得する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項４】
請求項３において、前記第１の半導体層として、非晶質シリコンを用いる
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項５】
請求項３において、前記第２の半導体層として、結晶性シリコン又は単結晶シリコンを用いる
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項６】
光源から、被検出物に対して光照射を行い、
隣接する第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードで、前記被検出物の同一点からの反射光を吸収し、
前記第１のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第１のノードに蓄積される電荷量を変化させる第１のトランジスタのゲート電極の電位を、
第１の撮像を行うために、前記光照射開始以後で照射期間と反射期間が重なる間に高電位とし、
該高電位期間の、前記第１のフォトダイオードに照射される前記反射光を検出することで第１の検出信号Ｓ１を取得し、
前記第２のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第２のノードに蓄積される電荷量を変化させる第２のトランジスタのゲート電極の電位を、
第２の撮像を行うために、前記光照射終了以後で前記反射期間の間に高電位とし、
該高電位期間の、前記第２のフォトダイオードに照射される前記反射光を検出することで第２の検出信号Ｓ２を取得し、
前記光照射の終了前後も、前記反射光の検出は連続的に行われ、
前記照射期間の開始時刻と、前記反射期間の開始時刻との時間差をΔｔ、
比例定数をαとし、
前記第１の撮像から、第１の検出信号Ｓ１を取得し、
前記第２の撮像から、第２の検出信号Ｓ２を取得し、
前記第１の検出信号及び前記第２の検出信号を用いて、
前記光源から前記被検出物までの距離ｘを、前記光照射期間をＴ、光速をｃとし、
次式
【数４】
2013068606.tif 000015
に従って測定する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項７】
請求項６において、前記被検出物は、移動体である
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項８】
請求項６において、前記被検出物は、高速で移動する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一において、
前記トランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いる
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一において、
前記トランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いる
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトセンサを有する半導体装置の駆動方法に関するものであり、特に、光飛行時間（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）方式を適用した半導体装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の到着時間の時間差に依存した検出信号により、光源から被検出物までの距離を把握できる３次元距離測定センサが注目されている。３次元距離測定センサは、バーチャルキーボード、ジェスチャ認識等で得られた情報の入力デバイス、各種ロボットの視覚センサ、セキュリティシステム、スマートエアバッグ用センサ、車載用センサ等、広範囲な用途への応用が期待されている。
【０００３】
移動体検知センサは、より安全で快適な生活環境を求める消費者ニーズ、高齢化社会への進展等を考慮し、侵入者を検知する等の防犯対策、トイレや浴室での人の転倒等異常の検出に使用されている。移動する人又は物体の状況を、より正確に把握するため、移動体に関する情報（対象物の存在、位置、動き、大きさ等）を高精度で取得するための技術開発が行われている。
【０００４】
ＴＯＦ方式とは、光源（距離測定センサ）から照射された光（照射光）が被検出物に到着する時間と、被検出物で反射された光（反射光）が、距離測定センサに到着する時間との時間差を検出して、光源から被検出物までの距離を計算によって取得する方式である。光源から被検出物までの距離ｘは、次式で表すことができる。ここで、ｃは光速（３×１０８ｍ／ｓ）、Δｔは時間差である。（図５参照。）
【０００５】
【数１】
2013068606.tif 000003
【０００６】
３次元距離測定センサの一例として、３次元空間での距離測定を行うために、反射赤外光の検出期間を２回に分け、異なる検出信号を取得し、ＴＯＦ方式を用いて３次元撮像を行う３次元距離測定装置が、非特許文献１に掲載されている。
【０００７】
非特許文献２では、非特許文献１におけるフォトセンサの構成を応用して、２次元情報（被検出物からの反射光の強さ・色彩等）を得られる２次元撮像と、３次元情報（光源から被検出物までの距離）を得られる３次元撮像とをフレーム期間毎に交互に行っている。また、複数回の赤外光照射を行い、ＴＯＦ方式を用いることで、３次元撮像を行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓ．Ｊ．Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ，”Ａ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ  ＣＭＯＳ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｗｉｔｈ  Ｐｉｎｎｅｄ−Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  Ｐｉｘｅｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖ．２０１０．
【非特許文献２】Ｓ．Ｊ．Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ，”Ａ  ６４０ｘ４８０  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｐｉｘｅｌ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ２Ｄ／３Ｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｉｎ  ０．１１ｕｍ  ＣＭＯＳ”，  ２０１１  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，ＰＰ．９２−９３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、画素を微細化することが求められている。ＣＭＯＳイメージセンサに搭載されるフォトセンサは、フォトダイオードでの光電変換により生成された電荷を転送し、容量保持ノードに電荷を蓄積し、蓄積された電荷を増幅した後、検出信号として読み出すという構成が一般的である。
【００１０】
非特許文献１では、ＴＯＦ方式を適用して、光源から被検出物までの距離を測定するために、撮像期間を制御することで、反射赤外光の検出を、照射期間及び反射期間が重なる間の撮像と、重ならない間の撮像とに分離して行う方法を提案している。しかし、当該方法を実現するためには、通常のフォトセンサに、新たなトランジスタを追加しなければならない。フォトセンサの素子数増大は、画素の微細化を妨げる。
【００１１】
また、非特許文献１で提案されている方法では、２回の赤外光照射によって、異なる検出信号を取得しているが、各反射赤外光の検出を連続して行うことが困難である。すなわち、最初の撮像が終了してから、次の撮像が開始されるまでの間に時間差が生じる。このため、移動体の位置検出には不向きであるという問題がある。特に、被検出物の移動が高速の場合、位置検出精度の低下は顕著になる。
【００１２】
非特許文献２で提案されている方法では、２次元撮像と３次元撮像との間で、フレーム期間を切り替えなければならない。従って、２次元撮像による情報の取得と、３次元撮像による情報の取得との間に時間差が生じ、両情報を一度に取得する事が、困難であるという問題が生じる。
【００１３】
更に、電荷の転送効率を重視して、フォトダイオードと電気的に接続される蓄積トランジスタのチャネル幅を増大すると、オフ電流が増大し、フォトセンサの電荷保持特性が悪化するという問題が残る。
【００１４】
上述した問題に鑑みて、画素の微細化を達成しつつ、３次元撮像を可能にした半導体装置の駆動方法を提供することを課題の一つとする。
【００１５】
また、画素の微細化を達成しつつ、２次元撮像及び３次元撮像の同時撮像を可能にした半導体装置の駆動方法を提供することを課題の一つとする。
【００１６】
また、画素の微細化を達成しつつ、高精度な移動体の位置検出を可能にした半導体装置の駆動方法を提供することを課題の一つとする。
【００１７】
また、電荷保持特性に優れた半導体装置の駆動方法を提供することを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
同一の照射時間でタイミングが異なる第１の照射及び第２の照射を行い、第１の照射及び第２の照射に対応させて、第１の撮像及び第２の撮像を行い、第１の撮像及び第２の撮像において、光の到着時間の時間差に依存した第１の検出信号及び第２の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する。フォトセンサが有するノードに蓄積される電荷量を変化させるトランジスタのゲート電極の電位を制御する事で、３次元撮像を達成し、半導体装置の画素の微細化を実現する。
【００１９】
すなわち、本発明の一態様は、光源から、被検出物に対して、第１の照射及び第１の照射とタイミングが異なる第２の照射を同一時間行い、第１の照射による被検出物からの第１の反射光、及び第２の照射による被検出物からの第２の反射光を、フォトダイオードによって検出し、フォトダイオードから出力される光電流を用いて、ノードに蓄積される電荷量を変化させるトランジスタのゲート電極の電位を、第１の撮像を行うために、第１の照射開始以後で第１の照射期間と第１の反射期間が重なる間に高電位とし、且つ第２の撮像を行うために、第２の照射終了以後で第２の反射期間の間に高電位とし、第１の照射期間の開始時刻と、第１の反射期間の開始時刻との時間差をΔｔ、比例定数をαとし、第１の撮像から、第１の検出信号Ｓ１を取得し、第２の撮像から、第２の検出信号Ｓ２を取得し、第１の検出信号及び第２の検出信号を用いて、光源から被検出物までの距離ｘを、第１の照射期間をＴ、光速をｃとし、次式
【数２】
2013068606.tif 000004
に従って測定することを特徴とする半導体装置の駆動方法である。
【００２０】
また、本発明の一態様は、光源から、被検出物に対して、第１の照射及び第１の照射とタイミングが異なる第２の照射を同一時間行い、第１の照射による被検出物からの第１の反射光及び第２の照射による被検出物からの第２の反射光を、フォトダイオードによって検出し、フォトダイオードから出力される光電流を用いて、ノードに蓄積される電荷量を変化させるトランジスタのゲート電極の電位を、トランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されたノードに蓄積される電荷の変化量が多い第１の撮像を行うために、第１の照射開始以後で第１の照射期間と第１の反射期間が重なる間に高電位とし、トランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されたノードに蓄積される電荷の変化量が少ない第２の撮像を行うために、第２の照射終了以後で第２の反射期間の間に高電位とし、第１の照射期間の開始時刻と、第１の反射期間の開始時刻との時間差をΔｔ、比例定数をαとし、第１の撮像から、第１の検出信号Ｓ１を取得し、第２の撮像から、第２の検出信号Ｓ２を取得し、第１の検出信号及び第２の検出信号を用いて、光源から被検出物までの距離ｘを、第１の照射期間をＴ、光速をｃとし、次式
【数３】
2013068606.tif 000005
に従って測定することを特徴とする半導体装置の駆動方法である。
【００２１】
また、同一の照射時間でタイミングが異なる第１の照射及び第２の照射を行い、第１の照射及び第２の照射に対応させて、第１の撮像及び第２の撮像を行い、第１の撮像及び第２の撮像において、光の到着時間の時間差に依存した第１の検出信号及び第２の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する。更に第１の撮像期間及び第２の撮像期間を包括する期間に第３の撮像を行い第３の検出信号を取得する。また、可視光を吸収し、赤外光を透過する第１のフォトセンサ、及び赤外光を吸収する第２のフォトセンサを重畳し、第１のフォトセンサで、先に可視光を吸収し、第２のフォトセンサで、主に赤外光を吸収することで、半導体装置の画素の微細化を達成しつつ２次元撮像及び３次元撮像の同時撮像を可能にする。
【００２２】
すなわち本発明の一態様は、可視光を吸収し、第１の赤外光及び第２の赤外光を透過する第１の半導体層を有する第１のフォトダイオードと、第１の赤外光及び第２の赤外光を吸収する第２の半導体層を有する第２のフォトダイオードとを、重畳して設けた半導体装置の駆動方法であって、光源から、被検出物に対して、第１の赤外光照射及び第１の赤外光照射とタイミングが異なる第２の赤外光照射を同一時間行い、第１のフォトダイオードによって、可視光を吸収し、第１のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第１のノードに蓄積される電荷量を変化させる第１のトランジスタのゲート電極の電位を、少なくとも第１の赤外光による被検出物からの反射光が、第１のフォトダイオードに照射されるより前から、第２の赤外光による被検出物からの反射光が、第１のフォトダイオードに照射された後までの第１の期間は高電位とし、該第１の期間の可視光を検出することで被検出物の２次元情報を取得し、第２のフォトダイオードによって、第１の赤外光及び第２の赤外光を吸収し、第２のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第２のノードに蓄積される電荷量を変化させる第２のトランジスタのゲート電極の電位を、第１の赤外光照射開始以後で第１の赤外光照射期間と第１の赤外光反射期間が重なる第２の期間に高電位とし、該第２の期間の第１の赤外光を検出することで、第１の検出信号Ｓ１を取得し、且つ、第２の赤外光照射終了以後で第２の赤外光反射期間に含まれる第３の期間に高電位とし、該第３の期間の第２の赤外光を検出することで、第２の検出信号Ｓ２を取得し、第１の赤外光照射の開始時刻と、第１の赤外光反射期間の開始時刻との時間差をΔｔ、比例定数をαとし、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２を用いて、光源から被検出物までの距離ｘを、第１の赤外光照射期間をＴ、光速をｃとし、次式
【数４】
2013068606.tif 000006
に従って測定することで、被検出物の３次元情報を取得することを特徴とする半導体装置の駆動方法である。
【００２３】
また、上記において、第１の半導体層として、非晶質シリコンを用いることができる。
【００２４】
また、上記において、第２の半導体層として、結晶性シリコン又は単結晶シリコンを用いることができる。
【００２５】
また、光源から、被検出物に対して光照射を行い、隣接する第１のフォトダイオード、及び第２のフォトダイオードにおいて、反射光を吸収する。第１のフォトダイオードを含む第１のフォトセンサで行う第１の撮像と、第２のフォトダイオードを含む第２のフォトセンサで行う第２の撮像は時間的に連続である。第１の撮像期間内に、光照射時の被検出物からの反射光を該第１のフォトセンサで検出することで、第１の検出信号を得る。また第２の撮像期間内に、光照射終了時以後の被検出物からの反射光を該第２のフォトセンサで検出することで、第２の検出信号を得る。第１の撮像が終了してから、第２の撮像が開始されるまでの間に時間差を生じさせない事で、被検出物が移動体の場合であっても、位置検出精度を低下させることなく、光源から被検出物までの距離を測定することが可能になる。
【００２６】
すなわち本発明の一態様は、光源から、被検出物に対して光照射を行い、隣接する第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードで、被検出物の同一点からの反射光を吸収し、第１のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第１のノードに蓄積される電荷量を変化させる第１のトランジスタのゲート電極の電位を、第１の撮像を行うために、光照射開始以後で照射期間と反射期間が重なる第１の期間に高電位とし、該第１の期間の、第１のフォトダイオードに照射される反射光を検出することで第１の検出信号Ｓ１を取得し、且つ、第２のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第２のノードに蓄積される電荷量を変化させる第２のトランジスタのゲート電極の電位を、第２の撮像を行うために、光照射終了以後で反射期間に含まれる第２の期間に高電位とし、該第２の期間の、第２のフォトダイオードに照射される反射光を検出することで第２の検出信号Ｓ２を取得し、光照射の終了前後も、反射光の検出は連続的に行われ、照射期間の開始時刻と、反射期間の開始時刻との時間差をΔｔ、比例定数をαとし、第１の撮像から、第１の検出信号Ｓ１を取得し、第２の撮像から、第２の検出信号Ｓ２を取得し、第１の検出信号及び第２の検出信号を用いて、光源から被検出物までの距離ｘを、光照射期間をＴ、光速をｃとし、次式
【数５】
2013068606.tif 000007
に従って測定することを特徴とする半導体装置の駆動方法である。
【００２７】
また、上記において、被検出物は、移動体であってもよい。
【００２８】
また、上記において、被検出物は、高速で移動してもよい。
【００２９】
上記において、トランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。
【００３０】
上記において、トランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。
【００３１】
上記構成は、上記課題の少なくとも一つを解決する。
【００３２】
また、本明細書において、「反射光検出」と、「正味の撮像」とは、同等の意味を表すものとする。従って、「反射光検出開始時刻」とは、「正味の撮像開始時刻」であり、「撮像開始時刻」とは異なる意味を有する。同様に、「反射光検出終了時刻」とは、「正味の撮像終了時刻」であり、「撮像終了時刻」とは異なる意味を有する。
【００３３】
また、本明細書において、「第１の撮像」とは、「正味の第１の撮像」を、「第２の撮像」とは、「正味の第２の撮像」を意味するものとする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の一態様によれば、照射光に応じてフォトダイオードから発生する光電流に基づいて、ノードに蓄積される電荷量を変化させるトランジスタのゲート電極の電位を、制御する事で、フォトセンサを少ない素子数で構成しつつ３次元撮像を達成し、半導体装置の画素の微細化を実現することができる。また、可視光を吸収する第１のフォトダイオード及び赤外光を吸収する第２のフォトダイオードを重畳して設けることで、２次元撮像及び３次元撮像の同時撮像を達成することができる。また、隣接するフォトダイオードにおいて、該フォトダイオードと電気的に接続されるトランジスタのゲート電極の電位を制御する事で、移動体の３次元撮像を達成することができる。更に該トランジスタの保持特性を高めることで、フォトセンサの性能を向上させ、ＴＯＦ方式においても有利な駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】フォトセンサを説明する図。
【図２】フォトセンサのパルスを説明する図。
【図３】フォトセンサのパルスを説明する図。
【図４】読み出し回路を説明する図。
【図５】ＴＯＦ方式を説明する図。
【図６】マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの回路図。
【図７】フォトセンサの上面図と断面図。
【図８】フォトセンサの作製方法を示す断面図。
【図９】フォトセンサの断面図。
【図１０】フォトセンサを説明する図。
【図１１】フォトセンサのパルスを説明する図。
【図１２】フォトセンサのパルスを説明する図。
【図１３】マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの回路図。
【図１４】フォトセンサの上面図。
【図１５】フォトセンサを説明する図。
【図１６】フォトセンサのパルスを説明する図。
【図１７】フォトセンサのパルスを説明する図。
【図１８】マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの回路図。
【図１９】マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００３７】
（実施の形態１）
本実施の形態では、ＴＯＦ方式を適用した半導体装置の駆動方法について図１乃至図４を用いて説明する。より具体的には、第１の照射期間及び第２の照射期間（同一の長さでタイミングが異なる）に対応させて、第１の撮像及び第２の撮像を行い、第１の反射による第１の反射光検出から、光の到着時間の時間差に依存した第１の検出信号を取得し、第２の反射による第２の反射光検出から、光の到着時間の時間差に依存した第２の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する半導体装置の駆動方法について説明する。
【００３８】
本明細書で開示する発明の一態様における半導体装置が有するフォトセンサは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。図１は、半導体装置が有するフォトセンサ１００の構成を示す回路図の一例である。フォトセンサ１００は、フォトダイオード１０２、トランジスタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５、を有する。
【００３９】
第１の信号線１１は、リセット信号線（ＰＲ）である。第２の信号線１２は、電荷蓄積信号線（ＴＸ）である。第３の信号線１３は、選択信号線（ＳＥ）である。第５の信号線１５は、フォトセンサ基準信号線である。第６の信号線１６は、フォトセンサ出力信号線である。
【００４０】
フォトセンサ１００において、フォトダイオード１０２の一方の電極は第１の信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード１０２の他方の電極は、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０４のゲート電極と、ノード１４とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４のソース電極又はドレイン電極の一方と第５の信号線１５とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０５のソース電極又はドレイン電極の一方と第６の信号線１６とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０５のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０３のゲート電極と第２の信号線１２とは電気的に接続され、トランジスタ１０５のゲート電極と第３の信号線１３とは電気的に接続されている。
【００４１】
なお、図１では、フォトダイオード１０２の陽極が第１の信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード１０２の陰極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード１０２の陰極が第１の信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード１０２の陽極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。
【００４２】
フォトダイオード１０２は、照射された光に依存した光電流を発生させる光電変換素子である。従って、被検出物から反射された光を検出することで、当該フォトダイオード１０２には、光電流が流れる。
【００４３】
トランジスタ１０３は、正味の撮像期間を制御するトランジスタとして機能する。開示する発明の一態様においては、第１の信号線１１の電位を、”Ｌ”から”Ｈ”に切り替え、トランジスタ１０３のゲート電極の電位（第２の信号線１２の電位）を、”Ｌ”から”Ｈ”に切り替えると、ノード１４に正の電荷が蓄積されていく。トランジスタ１０３のゲート電極の電位（第２の信号線１２の電位）を”Ｈ”に維持したまま、第１の信号線１１の電位を、”Ｈ”から”Ｌ”に切り替えると、撮像開始となり、フォトダイオード１０２に照射される光に応じて、ノード１４に負の電荷が蓄積されていく。また、撮像終了は、トランジスタ１０３のゲート電極の電位（第２の信号線１２の電位）を”Ｈ”から”Ｌ”に切り替える時である。
【００４４】
本実施の形態において、第１の撮像では、第１の反射光の検出開始と同時に第１の撮像開始とし、第１の照射終了と同時に第１の撮像終了とするように、第１の信号線１１及び第２の信号線１２の電位を制御する。また、第２の撮像では、第２の照射終了と同時に第２の撮像開始とし、第２の反射光の検出終了と同時に第２の撮像終了とするように、第１の信号線１１及び第２の信号線１２の電位を制御する。
【００４５】
即ち、トランジスタ１０３のゲート電極の電位を、第１の照射期間と第１の反射期間が重なる間に”Ｈ”とし、第２の照射開始以後の第２の照射期間と第２の反射期間が重ならない間に”Ｈ”とし、第１の反射光検出期間及び第２の反射光検出期間に”Ｈ”とするように制御すればよい。
【００４６】
トランジスタ１０４は、ノード１４に蓄積された電荷を増幅するトランジスタとして機能する。トランジスタ１０５は、フォトセンサの出力を制御するトランジスタとして機能する。トランジスタ１０５のゲート電極に入力される信号（第３の信号線１３の電位）が”Ｌ”から”Ｈ”に切り替わる時、信号が読み出される。
【００４７】
上述のように、フォトセンサ１００は、フォトダイオード１個とトランジスタ３個という４素子で構成される。フォトセンサを少ない素子数で構成することが可能であるため、フォトセンサを高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。
【００４８】
なお、トランジスタ１０３に用いる半導体層としては、酸化物半導体層を用いることが好ましい。フォトダイオード１０２に光が照射されることにより生成された電荷を、ノード１４に長時間保持するためには、フォトダイオードと電気的に接続されるトランジスタ１０３を、オフ電流が極めて低いトランジスタで構成する必要がある。そのため、半導体層として酸化物半導体材料を用いることでフォトセンサ１００の性能を高めることができる。
【００４９】
また、フォトダイオード１０２に光が照射されることにより生成された電荷をノード１４に短時間で蓄積することを重視する場合には、トランジスタ１０３に用いられる半導体層としてアモルファスシリコンや微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることもできる。これらの材料を用いることで、移動度の高いトランジスタを構成することが可能になるため、ノード１４に短時間で電荷を蓄積することができる。
【００５０】
フォトセンサ１００を有する半導体装置の駆動方法について説明する。当該駆動方法を用いることで、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像により、光源から被検出物までの距離を測定することが可能である。
【００５１】
具体的な駆動方法について、図２及び図３に示すタイミングチャートを用いながら説明する。まず、図２では、フォトセンサ１００の動作について説明する。次に、図３では、駆動方法の特徴及びＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による距離測定方法について説明する。
【００５２】
なお、図２及び図３に示すタイミングチャートにおいて、パルス２０１及びパルス２０２では、”照射”を”Ｈ”で、”非照射”を”Ｌ”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”Ｈ”で、電位の低い状態を、”Ｌ”で表すものとする。
【００５３】
図２は、フォトセンサ１００のタイミングチャートである。時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１５までの間に、光源から被検出物に対して２回の照射（第１の照射及び第２の照射）を行う。なお、第２の照射は、第１の照射とタイミングが異なり、且つ同一時間行われるものとする。また、第１の照射及び第２の照射において、光源から被検出物までの距離が変わらないものとし、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３までの時間（時間差）、及び時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９までの時間（時間差）、が同一であるものとする。
【００５４】
時刻Ｔ１において、第１の信号線１１を”Ｈ”とする。更に、第２の信号線１２を”Ｈ”とする（第１のリセット）。この時、フォトダイオード１０２及びトランジスタ１０３が導通し、ノード１４が”Ｈ”となる。
【００５５】
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して第１の照射を開始する。パルス２０１では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第１の照射開始時刻とする。また、第１の信号線１１を”Ｌ”とし、第２の信号線１２を”Ｈ”のまま維持する。
【００５６】
時刻Ｔ３において、光源から発せされた第１の照射光が被検出物で反射し、第１の反射光が半導体装置に入射し始める。パルス２０２では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第１の反射開始時刻とする。
【００５７】
また、時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ３で反射光の検出を開始することができる。
【００５８】
時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４の間（第１の反射光検出、所謂正味の第１の撮像）に、第１の反射光の強度に応じてノード１４の電位は変化する。フォトダイオード１０２のオフ電流に起因して、ノード１４の電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード１０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間に比例する。
【００５９】
ここで、ノード１４の電位変化と、フォトダイオード１０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間との関係について説明する。同一検出期間であれば、光強度が大きい程、ノード１４の電位変化は大きくなる。また、同一強度であれば、光の検出期間が長い程、ノード１４の電位変化は大きくなる。従って、光強度が大きく、光の検出期間が長い程、フォトダイオード１０２のオフ電流は増大し、ノード１４の電位変化も大きくなる。
【００６０】
時刻Ｔ４において、光源から被検出物に対する第１の照射を終了する。パルス２０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第１の照射終了時刻とする。また、第２の信号線１２を”Ｌ”とする。この時、第１の撮像が終了する。なお、この第１の撮像終了時刻は、第１の照射終了時刻と一致する。また、時刻Ｔ４は、第１の反射光検出終了時刻でもある。
【００６１】
なお、ノード１４の電位は、時刻Ｔ４以後は一定となる。時刻Ｔ４でのノード１４の電位（Ｖ１）は、第１の反射光検出の間にフォトダイオード１０２から発生する光電流に依存する。つまり、ノード１４の電位は、光強度等に応じて決定される。
【００６２】
また、時刻Ｔ４でのノード１４の電位（Ｖ１）に応じて、第１の検出信号が決定する。第１の反射光検出期間が長いほど、ノード１４の電位変化は大きいため、時刻Ｔ４でのノード１４の電位（Ｖ１）は小さくなる。
【００６３】
なお、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４の間に、フォトダイオード１０２に照射される光とは、全て第１の反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。
【００６４】
時刻Ｔ５において、被検出物で反射した第１の反射光の半導体装置への入射が終了する。パルス２０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第１の反射終了時刻とする。
【００６５】
なお、第２の信号線１２を”Ｌ”とする際、第２の信号線１２とノード１４との間における寄生容量により、ノード１４の電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第１の撮像において、フォトダイオード１０２で、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、トランジスタ１０３のゲート電極−ソース電極間容量、又はトランジスタ１０３のゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード１４に保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係るフォトセンサ１００では、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード１４の電位変化は無視できるものとしている。
【００６６】
時刻Ｔ６において、第３の信号線１３を”Ｈ”とする（第１の読み出し開始）。この時、トランジスタ１０５が導通する。また、第５の信号線１５及び第６の信号線１６が、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５を介して、導通する。すると、第６の信号線１６の電位は低下していく。なお、時刻Ｔ６以前に、予めプリチャージ動作を施し、第６の信号線１６は、”Ｈ”としておく。
【００６７】
第６の信号線１６にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。図４に示すように、読み出し回路１０１は、１個のＰｃｈトランジスタ１０６で構成することも可能である。第７の信号線１７は、プリチャージ信号線である。ノード１８は、高電位供給線である。トランジスタ１０６のゲート電極は、第７の信号線１７と電気的に接続され、トランジスタ１０６のソース電極又はドレイン電極の一方は、第６の信号線１６と電気的に接続され、トランジスタ１０６のソース電極又はドレイン電極の他方は、ノード１８と電気的に接続されている。
【００６８】
時刻Ｔ７において、第３の信号線１３を”Ｌ”とする（第１の読み出し終了）。すると、トランジスタ１０５が遮断され、第６の信号線１６の電位は、一定となる。時刻Ｔ７での第６の信号線１６の電位（ＶＳ１）は、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ７での、第６の信号線１６の電位変化の速度に依存する。
【００６９】
なお、第６の信号線１６の電位変化の速度は、トランジスタ１０４のソース電極−ドレイン電極間の電流に依存する。即ち第１の撮像においてフォトダイオード１０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間に依存する。同一照射時間であれば、光強度が大きい程、第６の信号線１６の電位変化の速度は遅くなる。また、同一強度であれば、光の検出期間が長い程、第６の信号線１６の電位変化の速度は遅くなる。第６の信号線１６の電位変化の速度が遅いほど、時刻Ｔ７での第６の信号線１６の電位（ＶＳ１）は大きくなる。
【００７０】
従って、第１の反射光検出により、時刻Ｔ７における第６の信号線１６の電位（ＶＳ１）を取得することで、第１の撮像期間にフォトダイオード１０２に入射した光（反射光）の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ１を得ることができる。ここで、第１の照射における光強度を一定とし、第１の反射光のみ入射したとすると、第６の信号線１６の電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例する。
【００７１】
ノード１４の電位と、第６の信号線１６の電位の関係について説明する。フォトダイオード１０２に照射される光（反射光）の強度が大きいと、一定期間内でのノード１４の電位変化は大きくなる（時刻Ｔ４でのノード１４の電位の値は低くなる）。この時、トランジスタ１０４のチャネル抵抗が高くなるため、第６の信号線１６の電位変化の速度は遅くなる。従って、一定期間内での第６の信号線１６の電位変化は小さくなる（時刻Ｔ７での第６の信号線１６の電位の値は高くなる）。
【００７２】
時刻Ｔ８において、光源から被検出物に対して第２の照射を開始する。パルス２０１は、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第２の照射開始時刻とする。
【００７３】
時刻Ｔ９において、光源から発せされた第２の照射光が被検出物で反射し、第２の反射光が半導体装置に入射し始める。パルス２０２は、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第２の反射開始時刻とする。
【００７４】
時刻Ｔ１０において、第１の信号線１１を”Ｈ”とし、更に、第２の信号線１２を”Ｈ”とする（第２のリセット）。この時、フォトダイオード１０２及びトランジスタ１０３が導通し、ノード１４が”Ｈ”となる。
【００７５】
時刻Ｔ１１において、光源から被検出物に対する第２の照射を終了する。パルス２０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第２の照射終了時刻とする。第１の信号線１１を”Ｌ”とし、第２の信号線１２を”Ｈ”のまま維持する。なお、この第２の撮像開始時刻は、第２の照射終了時刻と一致する。また、時刻Ｔ１１は、第２の反射光検出開始時刻でもある。
【００７６】
時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２の間（第２の反射光検出、所謂正味の第２の撮像）に、第２の反射光の強度に応じて、ノード１４の電位は変化する。フォトダイオード１０２のオフ電流に起因して、ノード１４の電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード１０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード１４の電位も変化する。
【００７７】
なお、本実施の形態においては、一例として、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は短い場合を示している。そのため、第１の撮像時のノード１４の電位変化に比べて、第２の撮像時のノード１４の電位変化は小さい。
【００７８】
時刻Ｔ１２において、被検出物で反射した第２の反射光の半導体装置への入射が終了する。パルス２０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第２の反射終了時刻とする。また、時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出終了時刻でもある。
【００７９】
なお、ノード１４の電位は、時刻Ｔ１２以後は一定となる。時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）は、第２の反射光検出の間にフォトダイオード１０２から発生する光電流に依存する。つまり、ノード１４の電位は、光強度等に応じて決定される。
【００８０】
また、時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）に応じて、第２の検出信号が決定する。第２の反射光検出期間が短いほど、ノード１４の電位変化は小さいため、時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）は大きくなる。
【００８１】
時刻Ｔ１３において、第２の信号線１２を”Ｌ”とする。
【００８２】
このように、第２の照射終了と同時に第２の撮像を開始するように、第２の反射光の検出終了と同時に第２の撮像を終了するように、第１の信号線１１及び第２の信号線１２の電位を制御する。
【００８３】
なお、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１３の間に、フォトダイオード１０２に照射される光とは、全て第２の反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物からの反射された光を指すものとする。
【００８４】
時刻Ｔ１４において、第３の信号線１３を”Ｈ”とする（第２の読み出し開始）。この時、トランジスタ１０５が導通する。また、第５の信号線１５及び第６の信号線１６が、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５を介して、導通する。すると、第６の信号線１６の電位は低下していく。なお、時刻Ｔ６以前に、予めプリチャージ動作を施し、第６の信号線１６は、”Ｈ”としておく。
【００８５】
時刻Ｔ１５において、第３の信号線１３を”Ｌ”とする（第２の読み出し終了）。すると、トランジスタ１０５が遮断され、第６の信号線１６の電位は、一定となる。時刻Ｔ１５での第６の信号線１６の電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１５での、第６の信号線１６の電位変化の速度に依存する。
【００８６】
光強度が同一であれば、反射光検出期間が短い程、第６の信号線１６の電位変化の速度は速くなる。第６の信号線１６の電位変化の速度が速いほど、時刻Ｔ１５での第６の信号線１６の電位（ＶＳ２）は小さくなる。
【００８７】
従って、第２の反射光検出により、時刻Ｔ１５における第６の信号線１６の電位（ＶＳ２）を取得することで、第２の撮像期間にフォトダイオード１０２に入射した光（反射光）の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ２を得ることができる。ここで、第２の照射における光強度を一定とし、第２の反射光のみ入射したとすると、第６の信号線１６の電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
【００８８】
なお、本実施の形態においては、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は短いため、時刻Ｔ１５における第６の信号線１６の電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ７における第６の信号線１６の電位（ＶＳ１）に比べて小さい。
【００８９】
図３は、フォトセンサ１００における、パルス２０１、パルス２０２、パルス１２である。まず、図３を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。第１の反射光検出、第２の反射光検出を行うために、第１の信号線１１及び第２の信号線１２の電位を制御し、正味の撮像期間のタイミングを工夫する点が、開示する発明の一態様における駆動方法の主な特徴である。
【００９０】
図３に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、蓄積動作期間、反射光検出期間のように、各期間に分けて説明する。
【００９１】
パルス２０１に示すように、時刻Ｔ２は、第１の照射開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の照射終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４は、第１の照射期間である。時刻Ｔ８は、第２の照射開始時刻、時刻Ｔ１１は、第２の照射終了時刻、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ１１は、第２の照射期間である。開示する発明の一態様において、第１の照射期間及び第２の照射期間は、必ず等しくする必要がある。
【００９２】
パルス２０２に示すように、時刻Ｔ３は、第１の反射開始時刻、時刻Ｔ５は、第１の反射終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５は、第１の反射期間である。時刻Ｔ９は、第２の反射開始時刻、時刻Ｔ１２は、第２の反射終了時刻、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１２は、第２の反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。
【００９３】
即ち、第１の照射期間及び第２の照射期間は等しく、第１の反射期間及び第２の反射期間は等しい。
【００９４】
パルス１２に示すように、時刻Ｔ１は、第１の蓄積動作開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の蓄積動作終了時刻、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４は、第１の蓄積動作期間である。また、時刻Ｔ３は、第１の撮像開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の撮像終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４は、第１の撮像期間である。また、時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４は、第１の反射光検出期間である。
【００９５】
第１の蓄積動作期間は、少なくとも第１の反射期間より前に開始されなければならない。また、第１の撮像は、第１の照射期間終了と同時に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、第１の信号線１１及び第２の信号線１２の電位を制御する。
【００９６】
更に、パルス１２に示すように、時刻Ｔ１０は、第２の蓄積動作開始時刻、時刻Ｔ１３は、第２の蓄積動作終了時刻、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１３は、第２の蓄積動作期間である。また、時刻Ｔ１１は、第２の撮像開始時刻、時刻Ｔ１２は、第２の撮像終了時刻、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２は、第２の撮像期間である。また、時刻Ｔ１１は、第２の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出期間である。
【００９７】
第２の撮像は、第２の照射期間終了と同時に開始されなければならない。また、第２の蓄積動作期間は、少なくとも第２の反射期間より後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、第１の信号線１１及び第２の信号線１２の電位を制御する。
【００９８】
即ち、第１の反射期間に対応させて、第１の撮像期間を決定し、第２の反射期間に対応させて、第２の撮像期間を決定する事で、反射光検出を２回に分離する。
【００９９】
なお、第１の反射光検出期間は、第１の照射期間開始後の第１の照射期間及び第１の反射期間が重なる期間に等しく、第１の撮像期間となる。また、第２の反射光検出期間は、第２の照射期間後の第２の反射期間に等しく、第２の撮像期間となる。そして、第１の反射光検出から、光の到着時間の時間差に依存した第１の検出信号を取得し、第２の反射光検出から、光の到着時間の時間差に依存した第２の検出信号を取得する。これより半導体装置から、被検出物までの距離を測定することができる。
【０１００】
次に、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による距離測定方法について説明する。第１の反射光検出から取得した光の到着時間の時間差に依存する第１の検出信号Ｓ１及び、第２の反射光検出から取得した光の到着時間の時間差に依存した第２の検出信号Ｓ２を用いて、半導体装置から、被検出物までの距離を測定する方法について計算式を用いて示す。
【０１０１】
ここで、第１の照射及び第２の照射における光強度を一定とし、第１の撮像期間及び第２の撮像期間には、フォトダイオード１０２に各々第１の反射光及び第２の反射光のみ入射したとすると、第６の信号線１６の電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例し、第６の信号線１６の電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
【０１０２】
即ち、第１の撮像により得られる第１の検出信号Ｓ１は、第１の反射光検出期間に依存し、第２の撮像により得られる第２の検出信号Ｓ２は、第２の反射光検出期間に依存する。
【０１０３】
第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２は比例定数α、照射期間Ｔ、時間差Δｔを用いて次式で表すことができる。
【０１０４】
【数６】
2013068606.tif 000008
【０１０５】
【数７】
2013068606.tif 000009
数６、及び数７より、比例定数αを消去すると、時間差Δｔが得られる。
【０１０６】
【数８】
2013068606.tif 000010
更に、数１及び数８を利用すると半導体装置から、被検出物までの距離ｘは、次式で表すことができる。
【０１０７】
【数９】
2013068606.tif 000011
【０１０８】
これより、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２が得られれば、半導体装置から、被検出物までの距離ｘを得ることができることがわかる。
【０１０９】
また、光源から光の照射を行わない期間に、フォトセンサ１００によって第３の撮像を行ってもよい。この場合、第３の撮像により第３の検出信号Ｓ３が得られる。第１の検出信号Ｓ１から第３の検出信号Ｓ３を差し引き、更に、第２の検出信号Ｓ２から第３の検出信号Ｓ３を差し引き、これらを改めて上記、数９における、検出信号Ｓ１および検出信号Ｓ２とすることで、自然光の影響を取り除くことができる。
【０１１０】
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した半導体装置において駆動方法を工夫することで、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を実現でき、距離測定装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、ＴＯＦ方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、画素の微細化に有利な半導体装置の実現が可能になる。
【０１１１】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１１２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で示したフォトセンサ１００の構成について、より詳細に説明する。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ１００を有する半導体装置の構成の一例について図６（Ａ）を用いて、図６（Ａ）とは別の構成の一例について図６（Ｂ）を用いて説明する。
【０１１３】
図６（Ａ）では、複数のフォトセンサ１００がｍ（ｍは２以上の自然数）行ｎ（ｎは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ１００は、複数の第１の信号線１１（ＰＲ）（１１（ＰＲ）＿１〜１１（ＰＲ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の第２の信号線１２（ＴＸ）（１２（ＴＸ）＿１〜１２（ＴＸ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の第３の信号線１３（ＳＥ）（１３（ＳＥ）＿１〜１３（ＳＥ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。各列のフォトセンサ１００は、複数のフォトセンサ出力信号線（１６＿１〜１６＿ｎと表記する）のいずれか１つ、複数のフォトセンサ基準信号線（１５＿１〜１５＿ｎと表記する）のいずれか１つと接続されている。
【０１１４】
図６（Ａ）では、各行のフォトセンサにおいて第２の信号線１２（ＴＸ）を共有し、各行のフォトセンサにおいて第１の信号線１１（ＰＲ）を共有し、各行のフォトセンサにおいて第３の信号線１３（ＳＥ）を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されない、各行に複数本の第２の信号線１２（ＴＸ）を設けて互いに異なるフォトセンサ１００と電気的に接続してもよい。各行に複数本の第１の信号線１１（ＰＲ）を設けて互いに異なるフォトセンサ１００と電気的に接続してもよい。各行に複数本の第３の信号線１３（ＳＥ）を設けて互いに異なるフォトセンサ１００と電気的に接続してもよい。各列に複数本のフォトセンサ出力信号線を設けて互いに異なるフォトセンサ１００と電気的に接続してもよい。各列に複数本のフォトセンサ基準信号線を設けて互いに異なるフォトセンサ１００と電気的に接続してもよい。
【０１１５】
また、図６（Ａ）では、フォトセンサ基準信号線を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。
【０１１６】
また、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ１００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサ１００において、第２の信号線１２（ＴＸ）を共有することもできる。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ１００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、第１の信号線１１（ＰＲ）を共有することもできる。
【０１１７】
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ１００を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
【０１１８】
次いで、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ１００を有する半導体装置の図６（Ａ）とは別の構成の一例について図６（Ｂ）を用いて説明する。
【０１１９】
図６（Ｂ）では、複数のフォトセンサ１００がｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ１００は、複数の第３の信号線１３（ＳＥ）（１３（ＳＥ）＿１〜１３（ＳＥ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。各列のフォトセンサ１００は、複数の第１の信号線１１（ＰＲ）（１１（ＰＲ）＿１〜１１（ＰＲ）＿ｎと表記する）のいずれか１つと、複数の第２の信号線１２（ＴＸ）（１２（ＴＸ）＿１〜１２（ＴＸ）＿ｎと表記する）のいずれか１つと、複数のフォトセンサ出力信号線（１６＿１〜１６＿ｎと表記する）のいずれか１つ、複数のフォトセンサ基準信号線（１５＿１〜１５＿ｎと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。
【０１２０】
図６（Ｂ）では、各行のフォトセンサにおいて第３の信号線１３（ＳＥ）を共有し、各列のフォトセンサにおいて第１の信号線１１（ＰＲ）を共有し、各列のフォトセンサにおいて第２の信号線１２（ＴＸ）を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
【０１２１】
図６（Ｂ）では、フォトセンサ基準信号線を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。
【０１２２】
また、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ１００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、第２の信号線１２（ＴＸ）を共有することもできる。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ１００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、第１の信号線１１（ＰＲ）を共有することもできる。
【０１２３】
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ１００を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
【０１２４】
図７（Ａ）は、フォトセンサ１００の上面図を示し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の破線Ａ１―Ａ２における断面図を示す。
【０１２５】
フォトセンサ１００は、第１の信号線１１（ＰＲ）として機能する導電膜２１０と、第２の信号線１２（ＴＸ）として機能する導電膜２１１と、第３の信号線１３（ＳＥ）として機能する導電膜２１２と、第５の信号線１５（フォトセンサ基準信号線）として機能する導電膜２１３と、第６の信号線１６（フォトセンサ出力信号線）として機能する導電膜２１４とを有している。
【０１２６】
フォトセンサ１００の有するフォトダイオード１０２は、順に積層されたｐ型の半導体膜２１５と、ｉ型の半導体膜２１６と、ｎ型の半導体膜２１７とを有している。導電膜２１０は、フォトダイオード１０２の陽極として機能するｐ型の半導体膜２１５に電気的に接続されている。
【０１２７】
フォトセンサ１００の有する導電膜２１８は、トランジスタ１０３のゲート電極として機能しており、さらに、導電膜２１１に電気的に接続されている。フォトセンサ１００の有する導電膜２１９は、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。フォトセンサ１００の有する導電膜２２０は、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の他方として機能する。フォトセンサ１００の有する導電膜２２１は、ｎ型の半導体膜２１７と、導電膜２１９とに電気的に接続されている。フォトセンサ１００の有する導電膜２２２は、トランジスタ１０４のゲート電極として機能しており、さらに、導電膜２２０に電気的に接続されている。
【０１２８】
フォトセンサ１００の有する導電膜２２３は、トランジスタ１０４のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。フォトセンサ１００の有する導電膜２２４は、トランジスタ１０４のソース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ１０５のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。また、導電膜２１４は、トランジスタ１０５のソース電極又はドレイン電極の他方として機能する。導電膜２１２は、トランジスタ１０５のゲート電極としても機能する。フォトセンサ１００の有する導電膜２２５は、導電膜２２３及び導電膜２１３に電気的に接続されている。
【０１２９】
なお、図７では、フォトセンサ１００の有する導電膜２２６は、第１の信号線１１（ＰＲ）として機能する導電膜２１０に電気的に接続されている。また、フォトセンサ１００の有する導電膜２２７は、第２の信号線１２（ＴＸ）として機能する導電膜２１１に電気的に接続されている。
【０１３０】
導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導電膜２２７は、絶縁表面上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することができる。導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導電膜２２７上にはゲート絶縁膜２２８が形成されている。さらに、導電膜２１０、導電膜２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２３、導電膜２２４は、ゲート絶縁膜２２８上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することができる。
【０１３１】
また、導電膜２１０、導電膜２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２３、導電膜２２４の上には、絶縁膜２８１及び絶縁膜２８２が形成されている。絶縁膜２８１及び絶縁膜２８２の上に、導電膜２２１が形成される。
【０１３２】
トランジスタ１０３の活性層２５０には、酸化物半導体を用いることが好ましい。基板２５１側から光が照射されることにより生成された電荷を、長時間保持するためには、フォトダイオード１０２と電気的に接続されるトランジスタ１０３を、オフ電流が極めて低いトランジスタで構成する必要がある。そのため、活性層２５０として酸化物半導体材料を用いることでフォトセンサ１００の性能を高めることができる。
【０１３３】
なお、トランジスタ１０３がボトムゲート型である場合、図７に示すように、ゲート電極として機能する導電膜２１８に活性層２５０が完全に重なる構成を用いることが望ましい。上記構成を採用することで、基板２５１側から入射した光により活性層２５０中の酸化物半導体が劣化するのを防ぎ、よって、トランジスタ１０３の閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされるのを防ぐことができる。なお、トランジスタ１０４と、トランジスタ１０５についても、上記構成を採用することで、同様の効果が得られる。
【０１３４】
ここで、図６（Ａ）で示したような第２の信号線１２（ＴＸ）が行方向に延びて配置される構成の場合、同じく行方向に延びて配置され、第２の信号線１２（ＴＸ）と平行な第３の信号線１３（ＳＥ）が存在する。第３の信号線１３（ＳＥ）はトランジスタ１０５のゲート電極と電気的に接続されるため、第３の信号線１３（ＳＥ）の一部をトランジスタ１０５のゲート電極として用いると、第３の信号線１３（ＳＥ）と平行な第２の信号線１２（ＴＸ）もトランジスタ１０５のゲート電極と同じ層に当該ゲート電極と同じ材料によって形成するのが一般的である。しかしながら、トランジスタのゲート電極に用いられる材料はソース電極やドレイン電極に用いられる材料と比べて、一般的に抵抗が高い材料である。そのため、第２の信号線１２（ＴＸ）の抵抗は高くなる傾向がある。
【０１３５】
これに対して、図６（Ｂ）に示した構成では、第２の信号線１２（ＴＸ）が列方向に延びて配置される構成である。そのため、行方向に延びて配置される第３の信号線１３（ＳＥ）とは別の層に形成された導電膜を用いて、第２の信号線１２（ＴＸ）を形成することができる。例えば、図７に示したように、フォトセンサ１００を構成するトランジスタ（トランジスタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５等）のゲート電極を構成する導電膜（導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２）とは異なる層に形成された導電膜２１１によって第２の信号線１２（ＴＸ）を形成することができる。導電膜２１１は、導電膜２１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２４等、フォトセンサ１００を構成するトランジスタ（トランジスタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５等）のソース電極やドレイン電極と同じ層に当該ソース電極や当該ドレイン電極と同じ材料によって形成することができる。そのため、図６（Ａ）で示した構成に比べて第２の信号線１２（ＴＸ）の抵抗を小さくすることができる。
【０１３６】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１３７】
（実施の形態３）
本実施の形態では、単結晶シリコン等の半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタと、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタとを有するフォトセンサの作製方法について説明する。
【０１３８】
図８（Ａ）に示すように、基板７００の絶縁表面上に、公知のＣＭＯＳの作製方法を用いて、フォトダイオード７０４、ｎチャネル型トランジスタ７０５を形成する。本実施の形態では、単結晶の半導体基板から分離された単結晶半導体膜を用いて、フォトダイオード７０４、ｎチャネル型トランジスタ７０５を形成する場合を例に挙げている。単結晶の半導体基板としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。
【０１３９】
具体的な単結晶半導体膜の作製方法の一例について、簡単に説明する。まず、単結晶の半導体基板に、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを注入し、半導体基板の表面から一定の深さの領域に、結晶構造が乱されることで局所的に脆弱化された脆化層を形成する。脆化層が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの入射角によって調節することができる。そして、半導体基板と、絶縁膜７０１が形成された基板７００とを、間に当該絶縁膜７０１が挟まるように貼り合わせる。貼り合わせでは、半導体基板と絶縁膜７０１が形成された基板７００とを重ね合わせた後、半導体基板と絶縁膜７０１が形成された基板７００の一部に、１Ｎ／ｃｍ２以上５００Ｎ／ｃｍ２以下、好ましくは１１Ｎ／ｃｍ２以上２０Ｎ／ｃｍ２以下程度の圧力を加える。圧力を加えると、その部分から半導体基板と絶縁膜７０１とが接合を開始し、最終的には密着した面全体に接合がおよぶ。次いで、加熱処理を行うことで、脆化層に存在する微小ボイドどうしが結合して、微小ボイドの体積が増大する。その結果、脆化層において半導体基板の一部である単結晶半導体膜が、半導体基板から分離する。上記加熱処理の温度は、基板７００の歪み点を越えない温度とする。そして、上記単結晶半導体膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、島状の半導体膜７０２、島状の半導体膜７０３を形成することができる。
【０１４０】
フォトダイオード７０４は、絶縁膜７０１上の島状の半導体膜７０２を用いて形成されており、ｎチャネル型トランジスタ７０５は、絶縁膜７０１上の島状の半導体膜７０３を用いて形成されている。また、フォトダイオード７０４は、島状の半導体膜７０２内にｐ型の導電性を有する領域７２７と、ｉ型の導電性を有する領域７２８と、ｎ型の導電性を有する領域７２９とが形成された横型接合タイプである。また、ｎチャネル型トランジスタ７０５は、ゲート電極７０７を有している。ｎチャネル型トランジスタ７０５は、島状の半導体膜７０３内に、ゲート電極７０７と重なる領域を挟むように設けられた一対のｎ型の導電性を有する領域を含む。そして、ｎチャネル型トランジスタ７０５は、島状の半導体膜７０３とゲート電極７０７の間に、絶縁膜７０８を有する。ｎチャネル型トランジスタ７０５において、絶縁膜７０８はゲート絶縁膜として機能する。
【０１４１】
なお、ｉ型の導電性を有する領域７２８は、半導体膜のうち、ｐ型若しくはｎ型を付与する不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以下含まれ、暗伝導度に対して光伝導度が１００倍以上である領域を指す。ｉ型の導電性を有する領域７２８には、周期表第１３族若しくは第１５族の不純物元素を有するものも、その範疇に含む。すなわち、ｉ型の導電性を有する領域７２８は、価電子制御を目的とした不純物元素を意図的に添加しないときに弱いｎ型の電気伝導性を示すので、ｐ型を付与する不純物元素を、成膜時或いは成膜後に、意図的若しくは非意図的に添加されたものをその範疇に含む。
【０１４２】
基板７００として使用することができる素材に大きな制限はないが、透過型、或いは半透過型の液晶素子を用いる場合、基板７００も透光性を有する素材とする。また、基板７００として使用することができる素材は、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板７００には、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
【０１４３】
なお、本実施の形態では、単結晶半導体膜を用いてフォトダイオード７０４とｎチャネル型トランジスタ７０５を形成する例について説明しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、絶縁膜７０１上に気相成長法を用いて形成された多結晶の半導体膜及び、微結晶の半導体膜を用いても良いし、上記半導体膜を公知の技術により結晶化しても良い。半導体膜の公知の結晶化方法としては、レーザ光を用いるレーザ結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法がある。或いは、触媒元素を用いる結晶化法とレーザ結晶化法とを組み合わせて用いることもできる。また、石英のような耐熱性に優れている基板を用いる場合、電熱炉を使用する熱結晶化法、赤外光を用いるランプアニール結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法、９５０℃程度の高温アニール法を組み合わせた結晶化法を用いても良い。
【０１４４】
図８（Ａ）に示すように、絶縁膜７０８上に導電膜を形成した後、上記導電膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、ゲート電極７０７と共に、配線７１１を形成する。
【０１４５】
次いで、図８（Ａ）に示すように、フォトダイオード７０４、ｎチャネル型トランジスタ７０５、配線７１１、ゲート電極７０７を覆うように、絶縁膜７１２を形成する。なお、本実施の形態では、単層の絶縁膜７１２を用いる場合を例示しているが、絶縁膜７１２は単層である必要はなく、２層以上の絶縁膜を積層させて絶縁膜７１２として用いても良い。
【０１４６】
絶縁膜７１２は、後の作製工程における加熱処理の温度に耐えうる材料を用いる。具体的に、絶縁膜７１２として、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの材料を用いる事が好ましい。
【０１４７】
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質を意味する。
【０１４８】
絶縁膜７１２は、その表面をＣＭＰ法などにより平坦化させても良い。
【０１４９】
次いで、図８（Ａ）に示すように、絶縁膜７１２上に、ゲート電極７１３を形成する。
【０１５０】
ゲート電極７１３の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム、銅を用いることもできる。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等が挙げられる。
【０１５１】
例えば、二層の積層構造を有するゲート電極７１３として、アルミニウム膜上にモリブデン膜を積層した二層の積層構造、銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、または、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。３層の積層構造を有するゲート電極７１３としては、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜またはアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜またはチタン膜を上下層として積層した構造とすることが好ましい。
【０１５２】
また、ゲート電極７１３に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、または酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることもできる。
【０１５３】
ゲート電極７１３の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により１５０ｎｍのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工（パターニング）することで、ゲート電極７１３を形成する。なお、形成されたゲート電極７１３の端部がテーパー形状であると、上に積層するゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【０１５４】
図８（Ｂ）に示すように、ゲート電極７１３上に、ゲート絶縁膜７１４を形成した後、ゲート絶縁膜７１４上においてゲート電極７１３と重なる位置に、酸化物半導体層７１５を形成する。
【０１５５】
ゲート絶縁膜７１４は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜または酸化タンタル膜を単層で又は積層させて形成することができる。ゲート絶縁膜７１４は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましい。スパッタリング法により酸化珪素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いる。
【０１５６】
不純物を除去することによりｉ型化又は実質的にｉ型化された酸化物半導体層（高純度化された酸化物半導体層）は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、高純度化された酸化物半導体層７１５とゲート絶縁膜７１４との界面は重要である。酸化物半導体層７１５に接するゲート絶縁膜７１４は、高品質化が要求される。
【０１５７】
例えば、μ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法は、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。高純度化された酸化物半導体層と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なものとすることができる。
【０１５８】
もちろん、ゲート絶縁膜７１４として良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後の熱処理によって膜質や、酸化物半導体層７１５との界面特性が改善される絶縁膜であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であることは勿論のこと、ゲート絶縁膜と酸化物半導体層との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い。
【０１５９】
バリア性の高い材料を用いた絶縁膜と、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜とを積層させた構造を有するゲート絶縁膜７１４を形成しても良い。この場合、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜は、バリア性の高い絶縁膜と酸化物半導層の間に形成する。バリア性の高い絶縁膜として、例えば窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などが挙げられる。バリア性の高い材料を用いて絶縁膜を形成することで、水分または水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板内に含まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体層内、ゲート絶縁膜７１４内、或いは、酸化物半導体層と他の絶縁膜との界面とその近傍に入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層に接するように窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い絶縁膜が直接酸化物半導体層に接するのを防ぐことができる。
【０１６０】
例えば、第１のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化珪素膜（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を形成し、第１のゲート絶縁膜上に第２のゲート絶縁膜として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化珪素膜（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を積層して、膜厚１００ｎｍのゲート絶縁膜７１４としても良い。ゲート絶縁膜７１４の膜厚は、トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、３５０ｎｍ乃至４００ｎｍ程度でもよい。
【０１６１】
本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚５０ｎｍの窒化珪素膜上に、スパッタ法で形成された膜厚１００ｎｍの酸化珪素膜を積層させた構造を有する、ゲート絶縁膜７１４を形成する。
【０１６２】
なお、ゲート絶縁膜７１４は後に形成される酸化物半導体層と接する。酸化物半導体は、水素が含有されると特性に悪影響を及ぼすので、ゲート絶縁膜７１４は水素、水酸基および水分が含まれないことが望ましい。ゲート絶縁膜７１４に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするためには、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極７１３が形成された基板７００を予備加熱し、基板７００に吸着した水分または水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、１００℃以上４００℃以下、好ましくは１５０℃以上３００℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。
【０１６３】
酸化物半導体層７１５は、ゲート絶縁膜７１４上に形成した酸化物半導体膜を所望の形状に加工することで、形成することができる。酸化物半導体膜の膜厚は、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（例えばアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（例えばアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により成膜することができる。
【０１６４】
なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜７１４の表面に付着している塵埃を除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加し、基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどの雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
【０１６５】
酸化物半導体膜には、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。
【０１６６】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【０１６７】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【０１６８】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【０１６９】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。
【０１７０】
しかし、これらに限られず、必要とする半導体の電気特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体の電気特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【０１７１】
酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。
【０１７２】
本実施の形態では、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含むターゲットを用いたスパッタ法により得られる膜厚３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。上記ターゲットとして、例えば、各金属の組成が原子数比でＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２であるターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上１００％未満である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
【０１７３】
本実施の形態では、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板７００上に酸化物半導体膜を成膜する。成膜時に、基板温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて成膜室を排気すると、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【０１７４】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
【０１７５】
なお、酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート絶縁膜７１４までが形成された基板７００を予備加熱し、基板７００に吸着した水分または水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、１００℃以上４００℃以下、好ましくは１５０℃以上３００℃以下である。また、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。また、この予備加熱は、後に行われる絶縁膜７２２の成膜前に、導電膜７２０、導電膜７２１まで形成した基板７００にも同様に行ってもよい。
【０１７６】
なお、酸化物半導体層７１５を形成するためのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）など）が好ましい。また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。
【０１７７】
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
【０１７８】
ウェットエッチングに用いるエッチング液として、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液、クエン酸やシュウ酸などの有機酸を用いることができる。本実施の形態では、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用いる。
【０１７９】
酸化物半導体層７１５を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【０１８０】
なお、次工程の導電膜を形成する前に逆スパッタを行い、酸化物半導体層７１５及びゲート絶縁膜７１４の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
【０１８１】
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体層中には、不純物としての水分または水素（水酸基を含む）が多量に含まれていることがある。水分または水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体層中の水分または水素などの不純物を低減（脱水化または脱水素化）するために、酸化物半導体層７１５に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、または超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で、加熱処理を施す。
【０１８２】
酸化物半導体層７１５に加熱処理を施すことで、酸化物半導体層７１５中の水分または水素を脱離させることができる。具体的には、２５０℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、５００℃、３分間以上６分間以下程度で行えばよい。加熱処理にＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化または脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
【０１８３】
本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉を用いる。
【０１８４】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【０１８５】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水分または水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１８６】
以上の工程により、酸化物半導体層７１５中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。それにより酸化物半導体層７１５の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加熱処理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体層７１５を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製することができ、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体層７１５を用いることで、耐圧性が高く、オフ電流の著しく低いトランジスタを作製することができる。上記加熱処理は、酸化物半導体膜の成膜以降であれば、いつでも行うことができる。
【０１８７】
なお、酸化物半導体膜を加熱する場合、酸化物半導体膜の材料や加熱条件にもよるが、その表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にｃ軸配向した単結晶体であることが好ましい。また、単結晶体でなくともチャネル形成領域で各結晶のａｂ面が一致するか、ａ軸、或いは、ｂ軸が全てにおいて一致し、かつ、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にｃ軸配向した多結晶体又は単結晶であることが好ましい。なお、酸化物半導体膜の下地表面に凹凸がある場合、板状結晶は多結晶体となる。したがって、下地表面は可能な限り平坦であることが望まれる。
【０１８８】
次に、絶縁膜７０８、絶縁膜７１２、ゲート絶縁膜７１４を部分的にエッチングすることで、島状の半導体膜７０２、島状の半導体膜７０３、配線７１１に達するコンタクトホールを形成する。
【０１８９】
そして、酸化物半導体層７１５を覆うように、スパッタ法や真空蒸着法で導電膜を形成したあと、エッチング等により該導電膜をパターニングすることで、図８（Ｃ）に示すように、ソース電極、ドレイン電極、または配線として機能する導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１を形成する。
【０１９０】
なお、導電膜７１６及び導電膜７１７は、島状の半導体膜７０２に接している。導電膜７１８及び導電膜７１９は、島状の半導体膜７０３に接している。導電膜７２０は、配線７１１及び酸化物半導体層７１５に接している。導電膜７２１は、酸化物半導体層７１５に接している。
【０１９１】
導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１となる導電膜の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側もしくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム、イットリウム等を用いることができる。
【０１９２】
また、導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する２層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を積層する３層構造などが挙げられる。
【０１９３】
また、導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１となる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛または前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【０１９４】
導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。
【０１９５】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層７１５がなるべく除去されないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、島状の酸化物半導体層７１５の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部（凹部）が形成されることもある。
【０１９６】
本実施の形態では、導電膜にチタン膜を用いる。そのため、アンモニアと過酸化水素水を含む溶液（アンモニア過水）を用いて、選択的に導電膜をウェットエッチングすることができるが、酸化物半導体層７１５も一部エッチングされる。アンモニア過水は、具体的には、３１重量％の過酸化水素水と、２８重量％のアンモニア水と、水とを、体積比５：２：２で混合した水溶液を用いる。或いは、塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）などを含むガスを用いて、導電膜をドライエッチングしても良い。
【０１９７】
なお、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
【０１９８】
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層７１５の表面に付着した水などを除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
【０１９９】
なお、プラズマ処理を行った後、図８（Ｃ）に示すように、導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１と、酸化物半導体層７１５とを覆うように、絶縁膜７２２を形成する。絶縁膜７２２は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましく、単層の絶縁膜であっても良いし、積層された複数の絶縁膜で構成されていても良い。絶縁膜７２２に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層へ侵入し、又は水素が酸化物半導体層中の酸素を引き抜き、酸化物半導体層のバックチャネル部が低抵抗化（ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、絶縁膜７２２はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。絶縁膜７２２には、バリア性の高い材料を用いるのが望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、または窒化酸化アルミニウム膜などを用いることができる。複数の積層された絶縁膜を用いる場合、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を、上記バリア性の高い絶縁膜よりも、酸化物半導体層７１５に近い側に形成する。そして、窒素の含有比率が低い絶縁膜を間に挟んで、導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１及び酸化物半導体層７１５と重なるように、バリア性の高い絶縁膜を形成する。バリア性の高い絶縁膜を用いることで、酸化物半導体層７１５内、ゲート絶縁膜７１４内、或いは、酸化物半導体層７１５と他の絶縁膜の界面とその近傍に、水分または水素などの不純物が入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層７１５に接するように窒素の比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁膜が直接酸化物半導体層７１５に接するのを防ぐことができる。
【０２００】
本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚２００ｎｍの酸化珪素膜上に、スパッタ法で形成された膜厚１００ｎｍの窒化珪素膜を積層させた構造を有する、絶縁膜７２２を形成する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施の形態では１００℃とする。
【０２０１】
なお、絶縁膜７２２を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は、窒素、超乾燥空気、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、好ましくは２００℃以上４００℃以下（例えば２５０℃以上３５０℃以下）で行う。上記ガスは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下であることが望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行う。或いは、導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１を形成する前に、水分または水素を低減させるための酸化物半導体層に対して行った先の加熱処理と同様に、高温短時間のＲＴＡ処理を行っても良い。酸素を含む絶縁膜７２２が設けられた後に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体層に対して行った先の加熱処理により、酸化物半導体層７１５に酸素欠損が発生していたとしても、絶縁膜７２２から酸化物半導体層７１５に酸素が供与される。そして、酸化物半導体層７１５に酸素が供与されることで、酸化物半導体層７１５において、ドナーとなる酸素欠損を低減することが可能である。その結果、酸化物半導体層７１５をｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。この加熱処理を行うタイミングは、絶縁膜７２２の形成後であれば特に限定されず、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透明導電膜を低抵抗化させるための加熱処理と兼ねることで、工程数を増やすことなく、酸化物半導体層７１５をｉ型に近づけることができる。
【０２０２】
また、酸素雰囲気下で酸化物半導体層７１５に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加し、酸化物半導体層７１５中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。加熱処理の温度は、例えば１００℃以上３５０℃未満、好ましくは１５０℃以上２５０℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０２０３】
或いは、イオン注入法またはイオンドーピング法などを用いて、酸化物半導体層７１５に酸素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体層７１５に添加すれば良い。
【０２０４】
なお、絶縁膜７２２上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで、酸化物半導体層７１５と重なる位置にバックゲート電極を形成しても良い。バックゲート電極を形成した場合は、バックゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するのが望ましい。バックゲート電極は、ゲート電極７１３、或いは導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１と同様の材料、構造を用いて形成することが可能である。
【０２０５】
バックゲート電極の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。例えば、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜が積層された構造を有する導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ法などによりレジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して、該導電膜を所望の形状に加工（パターニング）することで、バックゲート電極を形成すると良い。
【０２０６】
以上の工程により、トランジスタ７２４が形成される。
【０２０７】
トランジスタ７２４は、ゲート電極７１３と、ゲート電極７１３上のゲート絶縁膜７１４と、ゲート絶縁膜７１４上においてゲート電極７１３と重なっている酸化物半導体層７１５と、酸化物半導体層７１５上に形成された一対の導電膜７２０または導電膜７２１とを有する。さらに、トランジスタ７２４は、絶縁膜７２２を、その構成要素に含めても良い。図８（Ｃ）に示すトランジスタ７２４は、導電膜７２０と導電膜７２１の間において、酸化物半導体層７１５の一部がエッチングされたチャネルエッチ構造である。
【０２０８】
なお、トランジスタ７２４はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極７１３を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。
【０２０９】
なお、酸化物半導体層７１５に接する絶縁膜（本実施の形態においては、ゲート絶縁膜７１４、絶縁膜７２２が該当する。）は、第１３族元素および酸素を含む絶縁材料を用いるようにしても良い。酸化物半導体材料には第１３族元素を含むものが多く、第１３族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接する絶縁膜に用いることで、酸化物半導体層と絶縁膜との界面の状態を良好に保つことができる。
【０２１０】
第１３族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一または複数の第１３族元素を含むことを意味する。第１３族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの含有量（原子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量（原子％）がアルミニウムの含有量（原子％）以上のものを示す。
【０２１１】
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体層に接して絶縁膜を形成する場合に、絶縁膜に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層と絶縁膜との界面特性を良好に保つことができる。例えば、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減することができる。なお、絶縁膜に酸化物半導体層の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁膜を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水の侵入防止という点においても好ましい。
【０２１２】
また、酸化物半導体層７１５に接する絶縁膜は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープ処理などにより、絶縁材料を化学量論的組成より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素ドープ処理とは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素ドープ処理には、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープ処理が含まれる。また、酸素ドープ処理は、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて行ってもよい。
【０２１３】
例えば、酸化物半導体層７１５に接する絶縁膜として酸化ガリウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープ処理を行うことにより、酸化ガリウムの組成をＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。
【０２１４】
また、酸化物半導体層７１５に接する絶縁膜として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープ処理を行うことにより、酸化アルミニウムの組成をＡｌ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。
【０２１５】
また、酸化物半導体層７１５に接する絶縁膜として酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープ処理を行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）の組成をＧａＸＡｌ２−ＸＯ３＋α（０＜Ｘ＜２、０＜α＜１）とすることができる。
【０２１６】
酸素ドープ処理を行うことにより、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を形成することができる。このような領域を備える絶縁膜と酸化物半導体層が接することにより、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、または酸化物半導体層と絶縁膜との界面における酸素不足欠陥を低減し、酸化物半導体層をｉ型化またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。
【０２１７】
なお、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜は、酸化物半導体層７１５に接する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜または下層に位置する絶縁膜のうち、どちらか一方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体層７１５に接する絶縁膜の、上層及び下層に位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体層７１５を挟む構成とすることで、上記効果をより高めることができる。
【０２１８】
また、酸化物半導体層７１５の上層または下層に用いる絶縁膜は、上層と下層で同じ構成元素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。例えば、上層と下層とも、組成がＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化ガリウムとしても良いし、上層と下層の一方を組成がＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化ガリウムとし、他方を組成がＡｌ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化アルミニウムとしても良い。
【０２１９】
また、酸化物半導体層７１５に接する絶縁膜は、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。例えば、酸化物半導体層７１５の上層に組成がＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化ガリウムを形成し、その上に組成がＧａＸＡｌ２−ＸＯ３＋α（０＜Ｘ＜２、０＜α＜１）の酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）を形成してもよい。なお、酸化物半導体層７１５の下層を、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良いし、酸化物半導体層７１５の上層及び下層の両方を、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。
【０２２０】
フォトダイオード７０４は、図１、図６等で示したフォトダイオード１０２として用いることができる。ｎチャネル型トランジスタ７０５は、図１、図６等で示したトランジスタ１０４、トランジスタ１０５として用いることができる。トランジスタ７２４は、図１、図６等で示したトランジスタ１０３として用いることができる。また、トランジスタ７２４は、図１、図６等で示したトランジスタ１０４、トランジスタ１０５として用いてもよい。
【０２２１】
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
【０２２２】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３とは異なる構造を有する、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタについて説明する。
【０２２３】
図９（Ａ）に示すフォトセンサでは、実施の形態３と同様に、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５とを有している。そして、図９（Ａ）では、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５上に、チャネル保護構造のボトムゲート型のトランジスタ７２４が形成されている。
【０２２４】
トランジスタ７２４は、絶縁膜７１２上に形成されたゲート電極７３０と、ゲート電極７３０上のゲート絶縁膜７３１と、ゲート絶縁膜７３１上においてゲート電極７３０と重なっている酸化物半導体層７３２と、ゲート電極７３０と重なる位置において酸化物半導体層７３２上に形成されたチャネル保護膜７３３と、酸化物半導体層７３２上に形成された導電膜７３４、導電膜７３５とを有する。さらに、トランジスタ７２４は、導電膜７３４、導電膜７３５及びチャネル保護膜７３３上に形成された絶縁膜７３６を、その構成要素に含めても良い。
【０２２５】
チャネル保護膜７３３を設けることによって、酸化物半導体層７３２のチャネル形成領域となる部分に対する、後の工程における、エッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りなどのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタ７２４の信頼性を向上させることができる。
【０２２６】
チャネル保護膜７３３には、酸素を含む無機材料（酸化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、または酸化窒化アルミニウムなど）を用いることができる。チャネル保護膜７３３は、プラズマＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法などの気相成長法やスパッタリング法を用いて形成することができる。チャネル保護膜７３３は成膜後にエッチングにより形状を加工する。ここでは、スパッタ法により酸化珪素膜を形成し、フォトリソグラフィによるマスクを用いてエッチング加工することでチャネル保護膜７３３を形成する。
【０２２７】
酸素を含む無機材料をチャネル保護膜７３３に用いることで、水分または水素を低減させるための加熱処理により酸化物半導体層７３２中に酸素欠損が発生していたとしても、酸化物半導体層７３２にチャネル保護膜７３３から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低減することが可能である。よって、チャネル形成領域を、ｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタ７２４の電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
【０２２８】
図９（Ｂ）に示すフォトセンサでは、実施の形態３と同様に、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５を有している。そして、図９（Ｂ）では、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５上に、ボトムコンタクト型のトランジスタ７２４が形成されている。
【０２２９】
トランジスタ７２４は、絶縁膜７１２上に形成されたゲート電極７４１と、ゲート電極７４１上のゲート絶縁膜７４２と、ゲート絶縁膜７４２上の導電膜７４３、導電膜７４４と、ゲート絶縁膜７４２を間に挟んでゲート電極７４１と重なっている酸化物半導体層７４５と、を有する。さらに、トランジスタ７２４は、酸化物半導体層７４５上に形成された絶縁膜７４６を、その構成要素に含めても良い。
【０２３０】
なお、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示したトランジスタ７２４は、バックゲート電極を更に有していても良い。
【０２３１】
図９（Ｃ）に示すフォトセンサでは、実施の形態３と同様に、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５を有している。そして、図９（Ｃ）では、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５上に、トップコンタクト型のトランジスタ７２４が形成されている。
【０２３２】
トランジスタ７２４は、絶縁膜７１２上に形成された酸化物半導体層７５５と、酸化物半導体層７５５上の導電膜７５３及び導電膜７５４と、酸化物半導体層７５５、導電膜７５３及び導電膜７５４上のゲート絶縁膜７５２と、ゲート絶縁膜７５２を間に挟んで酸化物半導体層７５５と重なっているゲート電極７５１と、を有する。さらに、トランジスタ７２４は、ゲート電極７５１上に形成された絶縁膜７５６を、その構成要素に含めても良い。
【０２３３】
図９（Ｄ）に示すフォトセンサでは、実施の形態３と同様に、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５を有している。そして、図９（Ｄ）では、フォトダイオード７０４と、ｎチャネル型トランジスタ７０５上に、トップコンタクト型のトランジスタ７２４が形成されている。
【０２３４】
トランジスタ７２４は、絶縁膜７１２上に形成された導電膜７６３及び導電膜７６４と、導電膜７６３及び導電膜７６４上の酸化物半導体層７６５と、酸化物半導体層７６５、導電膜７６３及び導電膜７６４上のゲート絶縁膜７６２と、ゲート絶縁膜７６２を間に挟んで酸化物半導体層７６５と重なっているゲート電極７６１と、を有する。さらに、トランジスタ７２４は、ゲート電極７６１上に形成された絶縁膜７６６を、その構成要素に含めても良い。
【０２３５】
フォトダイオード７０４は、図１、図６等で示したフォトダイオード１０２として用いることができる。ｎチャネル型トランジスタ７０５は、図１、図６等で示したトランジスタ１０４、トランジスタ１０５として用いることができる。トランジスタ７２４は、図１、図６等で示したトランジスタ１０３として用いることができる。また、トランジスタ７２４は、図１、図６等で示したトランジスタ１０４、トランジスタ１０５として用いてもよい。
【０２３６】
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
【０２３７】
（実施の形態５）
本実施の形態では、ＴＯＦ方式を適用して、２次元の撮像と３次元の撮像を一度に行う事が可能な半導体装置の駆動方法について説明する。
【０２３８】
本実施の形態におけるフォトセンサの構成は、実施の形態１の図１で示したフォトセンサと同一の構成を成す。具体的には、同一の構成を成す第１のフォトセンサと、第２のフォトセンサとを重畳させて設ける。第１のフォトセンサが有する半導体層には可視光を吸収し、赤外光を透過する非晶質シリコン等が用いられる。また、第２のフォトセンサが有する半導体層には赤外光を吸収する結晶性シリコン又は単結晶シリコン等が用いられる。
【０２３９】
３次元の撮像では、第１の照射及び第２の照射（同一の長さでタイミングが異なる）に対応させて、第１の撮像及び第２の撮像を行い、第１の照射による第１の反射光を検出する第１の反射光検出から、光の到着時間の時間差に依存した第１の検出信号を取得し、第２の照射による第２の反射光を検出する第２の反射光検出から、光の到着時間の時間差に依存した第２の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する。２次元の撮像では、第３の撮像を行い、第３の検出信号を取得することで、被検出物の明るさ・色彩を取得する。
【０２４０】
本実施の形態では、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂを重畳して設けた構成について、図１０を用いて説明する。なお、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂの構成は、フォトセンサ１００の構成と同一であるため詳細な説明は省略する。
【０２４１】
図１０（Ａ）は、本発明の一態様に係る半導体装置が有するフォトセンサの構成を示す回路図の一例である。図１０（Ａ）に示すように、第１のフォトセンサ１００Ａは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。また、第２のフォトセンサ１００Ｂは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。図１０（Ａ）に示すように、第１のフォトセンサ１００Ａは、第１のフォトダイオード１０２Ａ、トランジスタ１０３Ａ、トランジスタ１０４Ａ、トランジスタ１０５Ａ、を有する。また、第２のフォトセンサ１００Ｂは、第２のフォトダイオード１０２Ｂ、トランジスタ１０３Ｂ、トランジスタ１０４Ｂ、トランジスタ１０５Ｂ、を有する。
【０２４２】
図１０（Ａ）に示すように、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂは隣接している。具体的には図１０（Ｂ）に示すように、第１のフォトダイオード１０２Ａ及び第２のフォトダイオード１０２Ｂは、重畳し、且つ第１のフォトダイオード１０２Ａは、第２のフォトダイオード１０２Ｂに対して、フォトセンサに照射される光（可視光及び赤外光を含む）が先に入射する位置に配置されている。
【０２４３】
なお、フォトセンサ１００に照射される光は、反射光であるとする。本実施の形態における、第１のフォトダイオード１０２Ａに照射される光とは、光源からの光と自然光の一方または両方が被検出物に対して照射されて、該被検出物から反射される光を意味する（可視光）。また、第２のフォトダイオード１０２Ｂに照射される光とは、光源から被検出物に対して光が照射されて、該被検出物から反射される光を意味する（赤外光）。
【０２４４】
第１のフォトセンサ１００Ａ、第２のフォトセンサ１００Ｂを重畳して設けることで、各センサを配置する際、面積を共有することができるため、半導体装置に占めるフォトセンサの専有面積を低減することができる。従って画素の微細化を図ることができる。
【０２４５】
また、第１のフォトダイオード１０２Ａの半導体層は、主に可視光を吸収し、大部分の赤外光を透過する特性を有する。例えば、第１のフォトダイオード１０２Ａの半導体層として、非晶質シリコン等を用いることができる。
【０２４６】
また、第２のフォトダイオード１０２Ｂの半導体層は、赤外光を吸収する特性を有する。例えば、第２のフォトダイオード１０２Ｂの半導体層として、結晶性シリコン、単結晶シリコン等を用いることができる。
【０２４７】
従って、可視光を第２のフォトダイオード１０２Ｂに対して、第１のフォトダイオード１０２Ａで先に吸収することで第２のフォトダイオード１０２Ｂに入射する可視光を低減することができる。
【０２４８】
即ち第１のフォトセンサ１００Ａでは可視光を利用し、第２のフォトセンサ１００Ｂでは赤外光を利用する。
【０２４９】
図１０（Ａ）において、信号線１１Ａは、リセット信号線（ＰＲ＿２）である。信号線１２Ａは、電荷蓄積信号線（ＴＸ＿２）である。信号線１３Ａは、選択信号線（ＳＥ＿２）である。信号線１６Ａは、フォトセンサ出力信号線である。また、信号線１１Ｂは、リセット信号線（ＰＲ＿３）である。信号線１２Ｂは、電荷蓄積信号線（ＴＸ＿３）である。信号線１３Ｂは、選択信号線（ＳＥ＿３）である。信号線１６Ｂは、フォトセンサ出力信号線である。信号線１５は、フォトセンサ基準信号線であり、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂで共有することも可能である。
【０２５０】
３次元撮像では、信号線１１Ｂ（ＰＲ＿３）及び信号線１２Ｂ（ＴＸ＿３）の電位を制御する。具体的には、第１の撮像では、第１の赤外光反射開始と同時に第１の撮像開始とし、第１の赤外光照射終了と同時に第１の撮像終了とするように、信号線１１Ｂ及び信号線１２Ｂの電位を制御する。また、第２の撮像では、第２の赤外光照射終了と同時に第２の撮像開始とし、第２の赤外光反射終了と同時に第２の撮像終了とするように、信号線１１Ｂ及び信号線１２Ｂの電位を制御する。
【０２５１】
２次元撮像では、信号線１１Ａ（ＰＲ＿２）及び信号線１２Ａ（ＴＸ＿２）の電位を制御する。具体的には、第３の撮像では、少なくとも第１の撮像開始より前に第３の撮像開始とし、少なくとも第２の撮像終了より後に第３の撮像終了とするように、信号線１１Ａ及び信号線１２Ａの電位を制御する。
【０２５２】
上述のように、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂは、フォトダイオード１個とトランジスタ３個という４素子で構成される。フォトセンサを少ない素子数で構成することが可能であるため、フォトセンサを高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。
【０２５３】
次に、図１０（Ａ）に示した構成のフォトセンサを有する半導体装置の駆動方法について説明する。当該駆動方法を用いることで、２次元撮像とＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を一度に行うことが可能である。また、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂを重畳しているため、画素の微細化を達成しつつ、可視光を吸収する第１のフォトセンサ１００Ａを用いた２次元撮像と、赤外光を吸収する第２のフォトセンサ１００Ｂを用いた３次元撮像を行うことができる。
【０２５４】
具体的な駆動方法について、図１１及び図１２に示すタイミングチャートを用いながら説明する。まず、図１１では、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂの動作について説明する。図１２では、駆動方法の特徴及び２次元撮像とＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を一度に行う方法について説明する。
【０２５５】
図１１は、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂのタイミングチャートである。本実施の形態の駆動方法によれば、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１８までの間に、２次元撮像及び３次元撮像を行うことが可能である。
【０２５６】
なお、図１１及び図１２に示すタイミングチャートにおいて、パルス２０１及びパルス２０２では、”照射”を”Ｈ”で、”非照射”を”Ｌ”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”Ｈ”で、電位の低い状態を、”Ｌ”で表すものとする。
【０２５７】
なお、３次元撮像において光源から被検出物に対して２回の照射（第１の照射及び第２の照射）を行う。なお、第２の照射は、第１の照射とタイミングが異なり、且つ同一時間行われるものとする。また、第１の照射及び第２の照射において、光源から被検出物までの距離が変わらないものとし、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３までの時間（時間差）、及び時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９までの時間（時間差）、が同一であるものとする。
【０２５８】
時刻Ｔ１において、信号線１１Ｂを”Ｈ”とする。更に、信号線１２Ｂを”Ｈ”とする（３次元撮像における第１のリセット）。この時、第２のフォトダイオード１０２Ｂ及びトランジスタ１０３Ｂが導通し、ノード１４Ｂが”Ｈ”となる。
【０２５９】
同様に信号線１１Ａを”Ｈ”とする。更に、信号線１２Ａを”Ｈ”とする（２次元撮像における第１のリセット）。この時、第１のフォトダイオード１０２Ａ及びトランジスタ１０３Ａが導通し、ノード１４Ａが”Ｈ”となる。
【０２６０】
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して第１の光の照射を開始する。パルス２０１では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第１の照射開始時刻とする。また、信号線１１Ｂを”Ｌ”とし、信号線１２Ｂを”Ｈ”のまま維持する。
【０２６１】
同様に、信号線１１Ａを”Ｌ”とし、信号線１２Ａを”Ｈ”のまま維持する。当該構成によれば、可視光を吸収する第１のフォトダイオード１０２Ａと赤外光を吸収する第２のフォトダイオード１０２Ｂとを重畳して構成しているため、第１の撮像及び第３の撮像を同じ期間に行う事が可能である。
【０２６２】
時刻Ｔ３において、光源から発せされた第１の照射光が被検出物で反射し、第１の反射光（赤外光）が半導体装置に入射し始める。パルス２０２では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第１の反射開始時刻とする。時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ３で反射光の検出を開始することができる。また、信号線１２Ａを”Ｈ”のまま維持する。
【０２６３】
時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４の間（第１の反射光検出期間）に、第１の反射光の強度に応じてノード１４Ｂの電位は変化する。第２のフォトダイオード１０２Ｂのオフ電流に起因して、ノード１４Ｂの電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、第２のフォトダイオード１０２Ｂに照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。
【０２６４】
同様にノード１４Ａの電位が”Ｈ”より低下し始める。
【０２６５】
時刻Ｔ４において、光源から被検出物に対する第１の光の照射を終了する。パルス２０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第１の照射終了時刻とする。また、信号線１２Ｂを”Ｌ”とする。また、時刻Ｔ４は、第１の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線１２Ａは”Ｈ”のまま維持する。
【０２６６】
なお、ノード１４Ｂの電位は、時刻Ｔ４以後は一定となる。時刻Ｔ４でのノード１４Ｂの電位（Ｖ１）は、第１の反射光検出の間にフォトダイオード１０２が生成した光電流に依存する。つまり、光強度等に応じて決定される。一方、ノード１４Ａの電位は低下し続ける。
【０２６７】
また、時刻Ｔ４でのノード１４Ｂの電位（Ｖ１）に応じて、第１の検出信号が決定する。第１の反射光検出期間が長いほど、ノード１４Ｂの電位変化は大きいため、時刻Ｔ４でのノード１４Ｂの電位（Ｖ１）は小さくなる。
【０２６８】
時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４の間に、第２のフォトダイオード１０２Ｂに照射される光とは、全て第１の反射による反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、赤外光である。
【０２６９】
また、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１６の間に、第１のフォトダイオード１０２Ａに照射される光とも、全て反射光を指すものとする。即ち光源からの光と自然光の一方または両方が被検出物に対して照射され、該被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、可視光である。
【０２７０】
時刻Ｔ５において、被検出物で反射した第１の反射による反射光の半導体装置への入射が終了する。パルス２０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第１の反射終了時刻とする。一方、信号線１２Ａは”Ｈ”のまま維持する。
【０２７１】
なお、信号線１２Ｂを”Ｌ”とする際、信号線１２Ｂとノード１４Ｂとの間における寄生容量により、ノード１４Ｂの電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第１の撮像及び第２の撮像において、第２のフォトダイオード１０２Ｂで、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、トランジスタ１０３Ｂのゲート電極−ソース電極間容量、又はトランジスタ１０３Ｂのゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード１４Ｂに保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係る第２のフォトセンサ１００Ｂでは、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード１４Ｂの電位変化は無視できるものとしている。
【０２７２】
なお、本発明の一態様に係る第１のフォトセンサ１００Ａの場合も同様の対策を施してある。
【０２７３】
時刻Ｔ６において、信号線１３Ｂを”Ｈ”とする（第１の読み出し開始）。この時、トランジスタ１０５Ｂが導通する。また、信号線１５Ｂ及び信号線１６Ｂが、トランジスタ１０４Ｂ、トランジスタ１０５Ｂを介して、導通する。すると、信号線１６Ｂの電位は低下していく。なお、時刻Ｔ６以前に、信号線１６Ｂには、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
【０２７４】
信号線１６にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。該読み出し回路は、図４に示す構成とすることもできる。
【０２７５】
時刻Ｔ７において、信号線１３Ｂを”Ｌ”とする（第１の読み出し終了）。すると、トランジスタ１０５Ｂが遮断され、信号線１６Ｂの電位は、一定となる。時刻Ｔ７での信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）は、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ７での、信号線１６Ｂの電位変化の速度に依存する。
【０２７６】
第１の反射光検出により、時刻Ｔ７における信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）を取得することで、第１の撮像期間に第２のフォトダイオード１０２Ｂに照射された反射光の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ１を得ることができる。ここで、第１の照射における光の強度を一定とし、第１の反射による反射光のみ照射されたとすると、信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例する。
【０２７７】
時刻Ｔ８において、光源から被検出物に対して第２の光の照射を開始する。パルス２０１は、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第２の照射開始時刻とする。また信号線１２Ａを”Ｈ”のまま維持する。
【０２７８】
時刻Ｔ９において、光源から発せされた第２の照射光が被検出物で反射し、第２の反射光が半導体装置に入射し始める。パルス２０２は、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第２の反射開始時刻とする。
【０２７９】
時刻Ｔ１０において、信号線１１Ｂを”Ｈ”とし、更に、信号線１２Ｂを”Ｈ”とする（３次元撮像における第２のリセット）。この時、第２のフォトダイオード１０２Ｂ及びトランジスタ１０３Ｂが導通し、ノード１４Ｂが”Ｈ”となる。
【０２８０】
時刻Ｔ１１において、光源から被検出物に対する第２の光の照射を終了する。パルス２０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第２の照射終了時刻とする。信号線１１Ｂを”Ｌ”とし、信号線１２Ｂを”Ｈ”のまま維持する。また、時刻Ｔ１１は、第２の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ１１で反射光の検出を開始することができる。また、信号線１２Ａを”Ｈ”のまま維持する。
【０２８１】
時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２の間（第２の反射光検出期間）に、第２の反射光の強度に応じて、ノード１４Ｂの電位は変化する。第２のフォトダイオード１０２Ｂのオフ電流に起因して、ノード１４Ｂの電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、第２のフォトダイオード１０２Ｂに照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード１４Ｂの電位も変化する。
【０２８２】
なお、本実施の形態においては、一例として、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は短い場合を示している。そのため、第１の撮像時のノード１４の電位変化に比べて、第２の撮像時のノード１４の電位変化は小さい。
【０２８３】
時刻Ｔ１２において、被検出物で反射した第２の反射による反射光の半導体装置への入射が終了する。パルス２０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第２の反射終了時刻とする。また、時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線１２Ａは”Ｈ”のまま維持する。
【０２８４】
なお、ノード１４Ｂの電位は、時刻Ｔ１２以後は一定となる。時刻Ｔ１２でのノード１４Ｂの電位（Ｖ２）は、第２の反射光検出の間に第２のフォトダイオード１０２Ｂが、生成した光電流に依存する。つまり、光強度等に応じて決定される。一方、ノード１４Ａの電位は低下し続ける。
【０２８５】
また、時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）に応じて、第２の検出信号が決定する。第２の反射光検出期間が短いほど、ノード１４の電位変化は小さいため、時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）は大きくなる。
【０２８６】
時刻Ｔ１３において、信号線１２Ｂを”Ｌ”とする。
【０２８７】
なお、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１３の間に、第２のフォトダイオード１０２Ｂに照射される光とは、全て第２の反射による反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、赤外光である。
【０２８８】
時刻Ｔ１４において、信号線１３Ｂを”Ｈ”とする（第２の読み出し開始）。この時、トランジスタ１０５Ｂが導通する。また、信号線１５Ｂ及び信号線１６Ｂが、トランジスタ１０４Ｂ、トランジスタ１０５Ｂを介して、導通する。すると、信号線１６Ｂの電位は低下していく。なお、時刻Ｔ１４以前に、信号線１６Ｂには、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
【０２８９】
時刻Ｔ１５において、信号線１３Ｂを”Ｌ”とする（第２の読み出し終了）。すると、トランジスタ１０５Ｂが遮断され、信号線１６Ｂの電位は、一定となる。時刻Ｔ１５での信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１５での、信号線１６Ｂの電位変化の速度に依存する。
【０２９０】
従って、第２の反射光検出により、時刻Ｔ１５における信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）を取得することで、第２の撮像期間に第２のフォトダイオード１０２Ｂに照射された反射光の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ２を得ることができる。ここで、第２の照射における光の強度を一定とし、第２の反射による反射光のみ照射されたとすると、信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
【０２９１】
なお、本実施の形態においては、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は短いため、時刻Ｔ１５における信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ７における信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）に比べて小さい。
【０２９２】
時刻Ｔ１５において、第１の撮像により検出信号Ｓ１を、第２の撮像により検出信号Ｓ２を得ることができるため、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像が可能になる。
【０２９３】
時刻Ｔ１６において、信号線１２Ａを”Ｌ”とする。
【０２９４】
時刻Ｔ１７において、信号線１３Ａを”Ｈ”とする（第３の読み出し開始）。この時、トランジスタ１０５Ａが導通する。また、信号線１５Ａ及び信号線１６Ａが、トランジスタ１０４Ａ、トランジスタ１０５Ａを介して、導通する。すると、信号線１６Ａの電位は低下していく。なお、時刻Ｔ１７以前に、信号線１６Ａには、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
【０２９５】
時刻Ｔ１８において、信号線１３Ａを”Ｌ”とする（第３の読み出し終了）。すると、トランジスタ１０５Ａが遮断され、信号線１６Ａの電位は、一定となる。時刻Ｔ１８での信号線１６Ａの電位（ＶＳ３）は、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ１６での、信号線１６Ａの電位変化の速度に依存する。
【０２９６】
第１のフォトダイオード１０２Ａに照射される反射光（可視光）の検出（第３の反射光検出）により、時刻Ｔ１８における信号線１６Ａの電位（ＶＳ３）を取得することで、第３の撮像期間に第１のフォトダイオード１０２Ａに照射された反射光の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ３を得ることができる。ここで、光源からの光と自然光の一方または両方の強度を一定とすると、信号線１６Ａの電位（ＶＳ３）は、第３の反射光検出期間に概ね比例する。
【０２９７】
時刻Ｔ１８において、第３の撮像により検出信号Ｓ３を得ることができるため、２次元撮像を行っている間に、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を行うことが可能になる。
【０２９８】
図１２は、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂにおける、パルス２０１、パルス２０２、信号線１２Ａのパルス、信号線１２Ｂのパルスである。図１２を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。第１の反射光検出期間にトランジスタ１０３Ｂのゲート電極の電位を”Ｈ”となるように、且つ第２の反射光検出期間にトランジスタ１０３Ｂのゲート電極の電位を”Ｈ”となるように、且つ、第１の撮像期間及び第２の撮像期間を包括する期間に、トランジスタ１０３Ａのゲート電極の電位を”Ｈ”となるように制御する。これより、２次元撮像中に３次元撮像を行うことが可能である。
【０２９９】
図１２に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、反射光検出期間、のように、各期間に分けて説明する。
【０３００】
パルス２０１に示すように、時刻Ｔ２は、第１の照射開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の照射終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４は、第１の照射期間である。時刻Ｔ８は、第２の照射開始時刻、時刻Ｔ１１は、第２の照射終了時刻、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ１１は、第２の照射期間である。開示する発明の一態様において、第１の照射期間及び第２の照射期間は、必ず等しくする必要がある。
【０３０１】
パルス２０２に示すように、時刻Ｔ３は、第１の反射開始時刻、時刻Ｔ５は、第１の反射終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５は、第１の反射期間である。時刻Ｔ９は、第２の反射開始時刻、時刻Ｔ１２は、第２の反射終了時刻、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１２は、第２の反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。
【０３０２】
即ち、第１の照射期間及び第２の照射期間は等しく、第１の反射期間及び第２の反射期間は等しい。
【０３０３】
信号線１２Ｂのパルス（ＴＸ＿３）に示すように、第１の撮像は、少なくとも第１の反射期間と同時か、第１の反射期間より前に開始されなければならない。また、第２の撮像は、少なくとも第２の反射期間と同時か、第２の反射期間より後に終了しなければならない。
【０３０４】
即ち、第１の反射期間に対応させて、第１の撮像期間を決定し、第２の反射期間に対応させて、第２の撮像期間を決定する事で、反射光検出を２回に分離する。
【０３０５】
更に、信号線１２Ａのパルス（ＴＸ＿２）に示すように、時刻Ｔ３は、第３の撮像開始時刻、時刻Ｔ１６は、第３の撮像終了時刻である。また、時刻Ｔ３は、反射光検出開始時刻、時刻Ｔ１６は、反射光検出終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ１６は、反射光検出期間である。
【０３０６】
第３の撮像は、第１の撮像期間と同時、あるいは少なくとも第１の撮像期間より前に開始されなければならない。また、第３の撮像は、第２の撮像期間と同時、あるいは少なくとも第２の撮像期間より後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１Ａ及び信号線１２Ａの電位を制御する。
【０３０７】
即ち、第１の撮像期間及び第２の撮像期間を包括するように、第３の撮像期間を決定する事で、２次元撮像中に３次元撮像を行うことができる。
【０３０８】
なお、開示する発明の一態様において第１の反射光検出期間は、第１の照射期間及び第１の反射期間が重なる期間に等しく正味の第１の撮像期間となる。また、第２の反射光検出期間は、第２の照射期間後の第２の反射期間に等しく正味の第２の撮像期間となる。第１の反射光検出から、光の到着時間の時間差に依存した第１の検出信号を取得し、第２の反射光検出から、光の到着時間の時間差に依存した第２の検出信号を取得する。これより半導体装置から、被検出物までの距離を測定することができる（３次元撮像）。
【０３０９】
また、第３の反射光検出期間は、第１の撮像期間及び第２の撮像期間を包括する。第３の反射光検出から、第３の検出信号を取得することで、被検出物の明るさ・色彩等を取得することができる（２次元撮像）。
【０３１０】
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した半導体装置において駆動方法を工夫することで、２次元撮像を行っている間にＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を実現でき、２次元情報及び３次元情報を同時に取得する半導体装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、ＴＯＦ方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、画素の微細化に有利な半導体装置の実現が可能になる。
【０３１１】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０３１２】
（実施の形態６）
本実施の形態では、半導体装置が有するフォトセンサが、実施の形態５に示した構成を有する場合において、該フォトセンサをマトリクス状に複数配置する構成の一例について、図１３を用いて、説明する。更に、図１３で示すフォトセンサの上面図を図１４に示す。なお、フォトセンサの構成や駆動方法は、実施の形態５を参照できる。
【０３１３】
図１３（Ａ）では、複数のフォトセンサ１００がｍ（ｍは２以上の自然数）行ｎ（ｎは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ１００は、複数の信号線１１Ａ（リセット信号線）（１１Ａ＿１〜１１Ａ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１２Ａ（電荷蓄積信号線）（１２Ａ＿１〜１２Ａ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１３Ａ（選択信号線）（１３Ａ＿１〜１３Ａ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１１Ｂ（リセット信号線）（１１Ｂ＿１〜１１Ｂ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１２Ｂ（電荷蓄積信号線）（１２Ｂ＿１〜１２Ｂ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１３Ｂ（選択信号線）（１３Ｂ＿１〜１３Ｂ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１５（フォトセンサ基準信号線）（１５＿１〜１５＿ｎと表記する）のいずれか１つと、電気的に接続されている例を示している。各列のフォトセンサ１００は、複数の信号線１６Ａ（フォトセンサ出力信号線）（１６Ａ＿１〜１６Ａ＿ｎと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１６Ｂ（フォトセンサ出力信号線）（１６Ｂ＿１〜１６Ｂ＿ｎと表記する）のいずれか１つと、電気的に接続されている例を示している。
【０３１４】
図１３では、各行のフォトセンサ１００において信号線１１Ａ（リセット信号線）、信号線１２Ａ（電荷蓄積信号線）、信号線１３Ａ（選択信号線）、信号線１１Ｂ（リセット信号線）、信号線１２Ｂ（電荷蓄積信号線）、信号線１３Ｂ（選択信号線）、信号線１５（フォトセンサ基準信号線）を共有している。また、各行のフォトセンサ１００において信号線１６Ｂ（フォトセンサ出力信号線）、信号線１６Ａ（フォトセンサ出力信号線）を共有している。なお、信号線の接続は上述の構成に限定されない。
【０３１５】
また、図１３では、信号線１５（フォトセンサ基準信号線）を各行のフォトセンサ１００において共有する構成を示したがこれに限定されない。信号線１５（フォトセンサ基準信号線）を各列のフォトセンサ１００において共有しても良い。
【０３１６】
また、図１３（Ｂ）では、第１のフォトセンサ１００Ａにおける第１のフォトダイオード１０２Ａ（１０２Ａ＿１〜１０２Ａ＿ｎ）と、第２のフォトセンサ１００Ｂにおける第２のフォトダイオード１０２Ｂ（１０２Ｂ＿１〜１０２Ｂ＿ｎ）と、の配置を示す。ここで、被検出物から反射された光は、第１のフォトダイオード１０２Ａ（１０２Ａ＿１〜１０２Ａ＿ｎ）に先に入射する。従って、該被検出物から反射された光には、光源からの光と自然光の一方または両方が被検出物に対して照射されて、該被検出物から反射されて、第１のフォトダイオード１０２Ａに入射する可視光と、光源から被検出物に対して光が照射されて、該被検出物から反射されて、第２のフォトダイオード１０２Ｂに入射する赤外光とが含まれる。
【０３１７】
可視光センサである第１のフォトダイオード１０２Ａの半導体層である非晶質シリコンが外部より入射される可視光を吸収し、外部より入射される赤外光を透過する特性を有する。上記構成とすることで、第１のフォトダイオード１０２Ａ（１０２Ａ＿１〜１０２Ａ＿ｎ）で主に可視光を吸収し、第２のフォトダイオード１０２Ｂ（１０２Ｂ＿１〜１０２Ｂ＿ｎ）で主に赤外光を吸収することが可能になる。また、赤外光センサである第２のフォトダイオード１０２Ｂへの可視光の入射を低減することができる。したがって、第１のフォトセンサ１００Ａを可視光による２次元の撮像に用い、第２のフォトセンサ１００Ｂを赤外光による３次元の撮像に用いることができ、フォトセンサの占有面積を縮小することができる。
【０３１８】
以上説明したように本実施の形態の構成では、可視光センサである第１のフォトセンサ１００Ａ及び赤外光センサである第２のフォトセンサ１００Ｂを重畳して設けているため、半導体装置において、第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂの専有面積を低減することができる。その結果、画素の微細化を達成しつつ２次元撮像と、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像の一度の撮像が可能になる。
【０３１９】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０３２０】
（実施の形態７）
本実施の形態では、ＴＯＦ方式を適用して、被検出物が高速で移動する場合であっても、被検出物の高精度な位置検出を行う事が可能な半導体装置の駆動方法について説明する。
【０３２１】
具体的には、隣接するフォトセンサにおいて、実質的に、被検出物の同一点における反射光を検出する。一方のフォトセンサでは、第１の撮像を行って、被検出物に対する光照射開始以後の照射期間と反射期間が重なる間の被検出物からの反射光を検出する。もう一方のフォトセンサでは、第２の撮像を行って、被検出物に対する光照射終了以後の、照射期間と重ならない反射期間の間の被検出物からの反射光を検出する。連続して、第１の撮像と第２の撮像を行うことで、第１の撮像が終了してから、第２の撮像が開始されるまでの間に時間差を生じさせない。該方法によれば、被検出物が移動体の場合であっても、検出精度を向上させることができる。
【０３２２】
本実施の形態におけるフォトセンサの構成は、実施の形態１の図１で示したフォトセンサと同一の構成を成す。従って、詳細な説明は省略する。（実施の形態１を参酌。）各々のフォトセンサは、３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。図１５は、半導体装置が有するフォトセンサ１００＿ｎ及び、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）の構成を示す回路図の一例である。なお、フォトセンサ１００＿ｎ及び、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）が、同一の構成を成す例について説明するが、異なる構成を成してもよい。
【０３２３】
図１５に示すように、フォトセンサ１００＿ｎ及び、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）は隣接して配置されている。フォトセンサ１００＿ｎは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。同様に、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）は３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。
【０３２４】
図１５に示すように、フォトセンサ１００＿ｎは、フォトダイオード１０２＿ｎ、トランジスタ１０３＿ｎ、トランジスタ１０４＿ｎ、トランジスタ１０５＿ｎ、を有する。フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）は、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）、トランジスタ１０３＿（ｎ＋１）、トランジスタ１０４＿（ｎ＋１）、トランジスタ１０５＿（ｎ＋１）を有する。
【０３２５】
なお、本実施の形態において、光源から被検出物に対する光の照射は１回のみ行われる。従って、被検出物から、フォトセンサに入射する反射光は、１回の照射に対応する反射光を示す。
【０３２６】
ここで、隣接するフォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）においては、実質的に被検出物の同一点からの、反射光がフォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）に入射するものと考えられる。
【０３２７】
即ち、フォトダイオード１０２＿ｎに入射する反射光、及びフォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）に入射する反射光は、光源から被検出物に対して光が照射された際に、該被検出物の同一点において反射された光と考えられる。
【０３２８】
図１５において、信号線１１＿ｎは、リセット信号線（ＰＲ＿ｎ）である。信号線１２＿ｎは、電荷蓄積信号線（ＴＸ＿ｎ）である。信号線１３＿ｎは、選択信号線（ＳＥ＿ｎ）である。信号線１６＿ｎは、フォトセンサ出力信号線（ＯＵＴ＿ｎ）である。
【０３２９】
また、図１５において、信号線１１＿（ｎ＋１）は、リセット信号線（ＰＲ＿（ｎ＋１））である。信号線１２＿（ｎ＋１）は、電荷蓄積信号線（ＴＸ＿（ｎ＋１））である。信号線１３＿（ｎ＋１）は、選択信号線（ＳＥ＿（ｎ＋１））である。信号線１６＿（ｎ＋１）は、フォトセンサ出力信号線（ＯＵＴ＿（ｎ＋１））である。信号線１５は、フォトセンサ基準信号線であり、フォトセンサ１００＿ｎ及び、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）で共有することも可能である。
【０３３０】
図１５に示すようにフォトセンサ１００＿ｎにおいて、フォトダイオード１０２＿ｎの一方の電極は信号線１１＿ｎと電気的に接続され、フォトダイオード１０２＿ｎの他方の電極は、トランジスタ１０３＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ１０３＿ｎのソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０４＿ｎのゲート電極と、ノード１４＿ｎとは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１５とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０５＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１６＿ｎとは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４＿ｎのソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０５＿ｎのソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０３＿ｎのゲート電極と信号線１２＿ｎとは電気的に接続され、トランジスタ１０５＿ｎのゲート電極と信号線１３＿ｎとは電気的に接続されている。
【０３３１】
また同様にして、図１５に示すようにフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）において、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）の一方の電極は信号線１１＿（ｎ＋１）と電気的に接続され、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）の他方の電極は、トランジスタ１０３＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ１０３＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０４＿（ｎ＋１）のゲート電極と、ノード１４＿（ｎ＋１）とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１５とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０５＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１６＿（ｎ＋１）とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０５＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０３＿（ｎ＋１）のゲート電極と信号線１２＿（ｎ＋１）とは電気的に接続され、トランジスタ１０５＿（ｎ＋１）のゲート電極と信号線１３＿（ｎ＋１）とは電気的に接続されている。
【０３３２】
なお、図１５では、フォトダイオード１０２＿ｎの陽極が信号線１１＿ｎと電気的に接続され、フォトダイオード１０２＿ｎの陰極がトランジスタ１０３＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード１０２＿ｎの陰極が信号線１１＿ｎと電気的に接続され、フォトダイオード１０２＿ｎの陽極がトランジスタ１０３＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。
【０３３３】
同様に、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）の陽極が信号線１１＿（ｎ＋１）と電気的に接続され、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）の陰極がトランジスタ１０３＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）の陰極が信号線１１＿（ｎ＋１）と電気的に接続され、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）の陽極がトランジスタ１０３＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。
【０３３４】
フォトセンサを隣接して設ける（例えば、フォトセンサ１００＿ｎ及び、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１））ことで、実質的に被検出物の同一点からの反射光を隣接する２つのフォトセンサで検出することができる。光照射終了時より前に反射した光を隣接するフォトセンサの一方で検出し、光照射終了時より後に反射した光をもう一方で検出するため、被検出物が移動体であっても位置検出の精度を高めることができる。
【０３３５】
次に、フォトセンサ１００を有する半導体装置の駆動方法について説明する。当該駆動方法を用いることで、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像により、半導体装置から被検出物までの距離を測定することが可能である。被検出物が移動体であり、更に移動速度が高速であっても位置検出精度を著しく低下させることがない。
【０３３６】
具体的な駆動方法について、図１６及び図１７に示すタイミングチャートを用いながら説明する。まず、図１６では、フォトセンサの動作について説明する。次に、図１７では、駆動方法の特徴及びＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による距離測定方法について説明する。
【０３３７】
図１６は、フォトセンサ１００＿ｎにおける信号線１１＿ｎ、信号線１２＿ｎ、信号線１３＿ｎ、信号線１４＿ｎ、信号線１６＿ｎ、のタイミングチャート、またフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）における信号線１１＿（ｎ＋１）、信号線１２＿（ｎ＋１）、信号線１３＿（ｎ＋１）、信号線１４＿（ｎ＋１）、信号線１６＿（ｎ＋１）、のタイミングチャートである。時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１０までの間に３次元撮像を行う。
【０３３８】
なお、図１６及び図１７に示すタイミングチャートにおいて、パルス２０１及びパルス２０２では、”照射”を”Ｈ”で、”非照射”を”Ｌ”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”Ｈ”で、電位の低い状態を、”Ｌ”で表すものとする。
【０３３９】
開示する発明の一態様における３次元撮像において光源から被検出物に対して光照射を、１回行う。また、光照射において、光源と被検出物との距離が変わっても良い。即ち被検出物は移動体でも良く、更に該移動体は、高速で移動しても良い。
【０３４０】
時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３までの時間は、光源から照射された光（照射光）が被検出物に到着する時間と、被検出物で反射された光（反射光）が半導体装置に到着する時間との時間差を表す。
【０３４１】
時刻Ｔ１において、信号線１１＿ｎを”Ｈ”とする。更に、信号線１２＿ｎを”Ｈ”とする（第１のリセット）。この時、フォトダイオード１０２＿ｎ及びトランジスタ１０３＿ｎが導通し、ノード１４＿ｎが”Ｈ”となる。
【０３４２】
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して光の照射を開始する。パルス２０１では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を光照射開始時刻とする。また、信号線１１＿ｎを”Ｌ”とし、信号線１２＿ｎを”Ｈ”のまま維持する。
【０３４３】
時刻Ｔ３において、光源から発せられた照射光が被検出物で反射し、反射光が半導体装置に入射し始める。パルス２０２では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を反射開始時刻とする。時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ３で反射光の検出を開始することができる。ノード１４＿ｎの電位が”Ｈ”より低下し始める。
【０３４４】
時刻Ｔ４において、信号線１２＿ｎを”Ｈ”のまま維持する。ノード１４＿ｎの電位は更に低下し続ける。また、時刻Ｔ４において、信号線１１＿（ｎ＋１）を”Ｈ”とし、更に、信号線１２＿（ｎ＋１）を”Ｈ”とする（第２のリセット）。この時、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）及びトランジスタ１０３＿（ｎ＋１）が導通し、ノード１４＿（ｎ＋１）が”Ｈ”となる。
【０３４５】
時刻Ｔ５において、光源から被検出物に対する光の照射を終了する。パルス２０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を照射終了時刻とする。また、信号線１２＿ｎを”Ｌ”とする。また、時刻Ｔ５は、第１の反射光検出終了時刻でもある。
【０３４６】
なお、信号線１２＿ｎを”Ｌ”とする際、信号線１２＿ｎとノード１４＿ｎとの間における寄生容量により、ノード１４＿ｎの電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第１の撮像及び第２の撮像において、フォトダイオード１０２＿ｎで、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、トランジスタ１０３＿ｎのゲート電極−ソース電極間容量、又はトランジスタ１０３＿ｎのゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード１４＿ｎに保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係るフォトセンサ１００＿ｎでは、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード１４＿ｎの電位変化は無視できるものとしている。
【０３４７】
なお、本発明の一態様に係るフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）の場合も同様の対策を施してある。
【０３４８】
このように、光照射開始と同時に第１の撮像を開始し、且つ光照射終了と同時に第１の撮像を終了するように、信号線１１＿ｎ及び信号線１２＿ｎの電位を制御する。
【０３４９】
なお、ノード１４＿ｎの電位は、時刻Ｔ５以後は一定となる。時刻Ｔ５でのノード１４＿ｎの電位（Ｖ１）は、第１の反射光検出の間にフォトダイオード１０２＿ｎが生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。
【０３５０】
また、時刻Ｔ５でのノード１４＿ｎの電位（Ｖ１）に応じて、第１の検出信号が決定する。第１の反射光検出期間が長いほど、ノード１４＿ｎの電位変化は大きいため、時刻Ｔ５でのノード１４＿ｎの電位（Ｖ１）は小さくなる。
【０３５１】
時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１０の間に、フォトダイオード１０２＿ｎに照射される光とは、全て反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。
【０３５２】
また、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１０の間に、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）に照射される光もまた、全て反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。
【０３５３】
更に時刻Ｔ５において、信号線１１＿（ｎ＋１）を”Ｌ”とし、信号線１２＿（ｎ＋１）を”Ｈ”のまま維持する。また、時刻Ｔ５は、第２の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ５で反射光の検出を開始することができる。
【０３５４】
時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６の間（第２の反射光検出期間）に、第２の反射光検出期間にフォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）に入射する反射光の強度に応じて、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位は変化する。フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）のオフ電流に起因して、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）に照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位も変化する。
【０３５５】
なお、本実施の形態においては、一例として、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６）は短い場合を示している。そのため、第１の撮像時のノード１４の電位変化に比べて、第２の撮像時のノード１４の電位変化は小さい。
【０３５６】
時刻Ｔ６において、被検出物で反射した反射光の半導体装置への入射が終了する。パルス２０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を反射終了時刻とする。また、時刻Ｔ６は、第２の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線１２＿（ｎ＋１）は”Ｈ”のまま維持する。
【０３５７】
なお、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位は、時刻Ｔ６以後は一定となる。時刻Ｔ６でのノード１４＿（ｎ＋１）の電位（Ｖ２）は、第２の反射光検出の間にフォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）が、生成した光電流に依存する。つまり、光強度等に応じて決定される。
【０３５８】
また、時刻Ｔ６でのノード１４＿（ｎ＋１）の電位（Ｖ２）に応じて、第２の検出信号が決定する。第２の反射光検出期間が短いほど、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位変化は小さいため、時刻Ｔ６でのノード１４＿（ｎ＋１）の電位（Ｖ２）は小さくなる。
【０３５９】
時刻Ｔ７において、信号線１２＿（ｎ＋１）を”Ｌ”とする。
【０３６０】
このように、光照射終了と同時に第２の撮像を開始し、且つ光照射に対応する反射光の検出の終了と同時に第２の撮像を終了するように、信号線１１＿（ｎ＋１）及び信号線１２＿（ｎ＋１）の電位を制御する。
【０３６１】
時刻Ｔ８において、信号線１３＿ｎを”Ｈ”とする（第１の読み出し開始）。この時、トランジスタ１０５＿ｎが導通する。また、信号線１５＿ｎ及び信号線１６＿ｎが、トランジスタ１０４＿ｎ、トランジスタ１０５＿ｎを介して、導通する。すると、信号線１６＿ｎの電位は低下していく。なお、時刻Ｔ８以前に、信号線１６＿ｎには、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
【０３６２】
信号線１６＿ｎにプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。該読み出し回路は、図４に示す読み出し回路１０１のように、１個のＰｃｈトランジスタ１０６で構成することも可能である。
【０３６３】
時刻Ｔ９において、信号線１３＿ｎを”Ｌ”とする（第１の読み出し終了）。すると、トランジスタ１０５＿ｎが遮断され、信号線１６＿ｎの電位は、一定となる。時刻Ｔ９での信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）は、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９での、信号線１６＿ｎの電位変化の速度に依存する。
【０３６４】
従って、第１の反射光検出により、時刻Ｔ９における信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）を取得することで、第１の撮像期間にフォトダイオード１０２＿ｎに入射した光（反射光）の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ１を得ることができる。ここで、光照射における光の強度を一定とし、フォトダイオード１０２＿ｎには、第１の反射光のみ入射したとすると、信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例する。
【０３６５】
更に時刻Ｔ９において、信号線１３＿（ｎ＋１）を”Ｈ”とする（第２の読み出し開始）。この時、トランジスタ１０５＿（ｎ＋１）が導通する。また、信号線１５＿（ｎ＋１）及び信号線１６＿（ｎ＋１）が、トランジスタ１０４＿（ｎ＋１）、トランジスタ１０５＿（ｎ＋１）を介して、導通する。すると、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位は低下していく。なお、時刻Ｔ９以前に、信号線１６＿（ｎ＋１）には、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
【０３６６】
時刻Ｔ１０において、信号線１３＿（ｎ＋１）を”Ｌ”とする（第１の読み出し終了）。すると、トランジスタ１０５＿（ｎ＋１）が遮断され、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位は、一定となる。時刻Ｔ１０での信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１０での、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位変化の速度に依存する。
【０３６７】
光の強度が同一であれば、反射光検出期間が短い程、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位変化の速度は速くなる。信号線１６＿（ｎ＋１）の電位変化の速度が速いほど、時刻Ｔ１０での信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は小さくなる。
【０３６８】
従って、第２の反射光検出により、時刻Ｔ１０における信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）を取得することで、第２の撮像期間にフォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）に入射した光（反射光）の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ２を得ることができる。ここで、光照射における光の強度を一定とし、フォトダイオード１０２＿（ｎ＋１）には、第２の反射光のみ入射したとすると、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
【０３６９】
なお、本実施の形態においては、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６）は短いため、時刻Ｔ１０における信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ９における信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）に比べて小さい。
【０３７０】
時刻Ｔ１０において、第１の撮像により検出信号Ｓ１を、第２の撮像により検出信号Ｓ２を得ることができるため、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像が可能になる。
【０３７１】
また、上述のように第１の反射光検出期間は、光照射時の、被検出物からの反射光を検出する期間であり、第２の反射光検出期間は、光照射終了時以後の、被検出物からの反射光を検出する期間である。即ち、実質的に被検出物の同一点からの反射光を、隣接するフォトセンサを利用することで、連続して検出することが可能になる。
【０３７２】
図１７は、フォトセンサ１００＿ｎ、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）における、パルス２０１、パルス２０２、信号線１２＿ｎのパルス、信号線１２＿（ｎ＋１）のパルスである。まず、図１７を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。反射光の検出を、第１の反射光検出期間と、第２の反射光検出期間の２回に分離する。隣接するフォトセンサ１００＿ｎ、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）を利用して、第１の撮像と第２の撮像とが連続して行われるように、信号線１１＿ｎ、信号線１２＿ｎ、信号線１１＿（ｎ＋１）、信号線１２＿（ｎ＋１）の電位を制御し、撮像時間のタイミングを工夫する点が、開示する発明の一態様における駆動方法の主な特徴である。
【０３７３】
図１７に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、反射光検出期間のように、各期間に分けて説明する。
【０３７４】
パルス２０１に示すように、時刻Ｔ２は、照射開始時刻、時刻Ｔ５は、照射終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ５は、照射期間である。パルス２０２に示すように、時刻Ｔ３は、反射開始時刻、時刻Ｔ６は、反射終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ６は、反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。
【０３７５】
信号線１２＿ｎのパルス（ＴＸ＿ｎ）に示すように、時刻Ｔ３は、第１の撮像開始時刻、時刻Ｔ５は、第１の撮像終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５は、第１の撮像期間である。また、時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ５は、第１の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５は、第１の反射光検出期間である。
【０３７６】
第１の撮像は、少なくとも反射期間と同時、あるいは反射期間以前に開始されなければならない。また、第１の撮像は、照射期間終了と同時に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１＿ｎ及び信号線１２＿ｎの電位を制御する。
【０３７７】
更に、信号線１２＿（ｎ＋１）のパルス（ＴＸ＿（ｎ＋１））に示すように、時刻Ｔ５は、第２の撮像開始時刻、時刻Ｔ６は、第２の撮像終了時刻、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６は、第２の撮像期間である。また、時刻Ｔ５は、第２の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ６は、第２の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６は、第２の反射光検出期間である。
【０３７８】
第２の撮像は、照射期間終了と同時に開始されなければならない。また、第２の撮像は、少なくとも反射期間と同時、あるいは反射期間以後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１＿（ｎ＋１）及び信号線１２＿（ｎ＋１）の電位を制御する。
【０３７９】
即ち、反射期間にフォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）に照射される、反射光の検出期間を、２回に分離し、フォトセンサ１００＿ｎによって、第１の撮像期間内の第１の反射光を検出し、フォトセンサ１００＿（ｎ＋１）によって、第２の撮像期間内の第２の反射光を検出する事で、時間的に連続して撮像を行うことが可能になる。
【０３８０】
なお、第１の反射光検出期間は、第１の撮像期間内に行われる。また、第２の反射光検出期間は、第２の撮像期間内に行われる。そして、第１の反射光検出から取得した光の到着時間の時間差に依存する第１の検出信号Ｓ１を取得し、第２の反射光検出から取得した光の到着時間の時間差に依存する第２の検出信号Ｓ２を取得することで、半導体装置から、被検出物までの距離を測定することができる。
【０３８１】
なお、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による距離測定方法の計算式を用いた説明の詳細については、実施の形態１を参酌することができる。
【０３８２】
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した半導体装置において駆動方法を工夫することで、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を実現でき、距離測定装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、ＴＯＦ方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、画素の微細化に有利な半導体装置の実現が可能になる。
【０３８３】
また、光源から被検出物に対する光照射終了時より前に反射した光を隣接するフォトセンサの一方で検出し、光照射終了時より後に反射した光をもう一方で検出するため、被検出物が移動体であっても、位置検出精度を低下させることなく、光源から被検出物（移動体）までの距離を測定することが可能になる。
【０３８４】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０３８５】
（実施の形態８）
本実施の形態では、実施の形態７で示した隣接するフォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）の構成について、より詳細に説明する。ｍ行ｋ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを有する半導体装置の構成の一例について図１８を用いて、図１８とは別の構成の一例について図１９を用いて説明する。
【０３８６】
図１８では、フォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）が隣接列において、被写体の同一点からの反射光を検出する例を示している。図１９では、フォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）が隣接行において、被写体の同一点からの反射光を検出する例を示している。なお、どちらの構成においても、同様の効果を得ることができるため、該構成は限定されない。
【０３８７】
図１８では、複数のフォトセンサがｍ（ｍは２以上の自然数）行ｋ（ｋは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置されている。例えば、１行目の隣接するフォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。同様に、ｎ行目の隣接するフォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。
【０３８８】
ｎ列目のフォトセンサ１００＿ｎ（１行目のフォトセンサ１００＿ｎ〜ｍ行目のフォトセンサ１００＿ｎ）は、複数の信号線１１＿ｎ（１行目の１１＿ｎ〜ｍ行目の１１＿ｎ）のいずれか１つと、複数の信号線１２＿ｎ（１行目の１２＿ｎ〜ｍ行目の１２＿ｎ）のいずれか１つと、複数の信号線１３＿ｎ（１行目の１３＿ｎ〜ｍ行目の１３＿ｎ）のいずれか１つと電気的に接続されている。
【０３８９】
また、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）（１行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）〜ｍ行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１））は、複数の信号線１１＿（ｎ＋１）（１行目の１１＿（ｎ＋１）〜ｍ行目の１１＿（ｎ＋１））のいずれか１つと、複数の信号線１２＿（ｎ＋１）（１行目の１２＿（ｎ＋１）〜ｍ行目の１２＿（ｎ＋１））のいずれか１つと、複数の信号線１３＿（ｎ＋１）（１行目の１３＿（ｎ＋１）〜ｍ行目の１３＿（ｎ＋１））のいずれか１つと電気的に接続されている。
【０３９０】
ｎ列目のフォトセンサ１００＿ｎ（１行目のフォトセンサ１００＿ｎ〜ｍ行目のフォトセンサ１００＿ｎ）は、フォトセンサ出力信号線及び、フォトセンサ基準信号線を共有している。例えば、ｎ列目のフォトセンサ出力信号線（１６＿ｎと表記する）は、ｎ列目のフォトセンサ１００＿ｎ（１行目のフォトセンサ１００＿ｎ〜ｍ行目のフォトセンサ１００＿ｎ）と電気的に接続され、ｎ列目のフォトセンサ基準信号線（１５＿ｎと表記する）もまた、ｎ列目のフォトセンサ１００＿ｎ（１行目のフォトセンサ１００＿ｎ〜ｍ行目のフォトセンサ１００＿ｎ）と電気的に接続されている。
【０３９１】
また、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）（１行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）〜ｍ行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１））は、フォトセンサ出力信号線及び、フォトセンサ基準信号線を共有している。例えば、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ出力信号線（１６＿（ｎ＋１）と表記する）は、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）（１行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）〜ｍ行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１））と電気的に接続され、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ基準信号線（１５＿（ｎ＋１）と表記する）もまた、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）（１行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）〜ｍ行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１））と電気的に接続されている。
【０３９２】
図１８では、ｎ列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５＿ｎを共有し、（ｎ＋１）列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５＿（ｎ＋１）を共有している。また、ｎ列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線１６＿ｎを共有し、（ｎ＋１）列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線１６＿（ｎ＋１）を共有している。
【０３９３】
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各列に複数本のフォトセンサ基準信号線１５を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。また、各列に複数本のフォトセンサ出力信号線１６を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。
【０３９４】
なお、図１８では、フォトセンサ基準信号線１５及びフォトセンサ出力信号線１６を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線１５及びフォトセンサ出力信号線１６は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。
【０３９５】
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｋ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを駆動する駆動回路を簡略化することができる。
【０３９６】
次いで、ｍ行ｋ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを有する半導体装置の図１８とは別の構成の一例について図１９を用いて説明する。図１９では、複数のフォトセンサ１００がｍ（ｍは２以上の自然数）行ｋ（ｋは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置されている。例えば、１列目の隣接するフォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。同様に、ｎ列目の隣接するフォトセンサ１００＿ｎ、及びフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。
【０３９７】
ｎ行目のフォトセンサ１００＿ｎ（１列目のフォトセンサ１００＿ｎ〜ｋ列目のフォトセンサ１００＿ｎ）は、複数の信号線１１＿ｎ（１列目の１１＿ｎ〜ｋ列目の１１＿ｎ）のいずれか１つと、複数の信号線１２＿ｎ（１列目の１２＿ｎ〜ｋ列目の１２＿ｎ）のいずれか１つと、複数のフォトセンサ出力信号線１６＿ｎ（１列目の１６＿ｎ〜ｋ列目の１６＿ｎ）のいずれか１つと電気的に接続されている。
【０３９８】
（ｎ＋１）行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）（１列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）〜ｋ列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１））は、複数の信号線１１＿（ｎ＋１）（１列目の１１＿（ｎ＋１）〜ｋ列目の１１＿（ｎ＋１））のいずれか１つと、複数の信号線１２＿（ｎ＋１）（１列目の１２＿（ｎ＋１）〜ｋ列目の１２＿（ｎ＋１））のいずれか１つと、複数のフォトセンサ出力信号線１６＿（ｎ＋１）（１列目の１６＿（ｎ＋１）〜ｋ列目の１６＿（ｎ＋１））のいずれか１つと電気的に接続されている。
【０３９９】
ｎ行目のフォトセンサ１００＿ｎ（１列目のフォトセンサ１００＿ｎ〜ｋ列目のフォトセンサ１００＿ｎ）は、信号線１３＿ｎを共有している。また、（ｎ＋１）行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）（１列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）〜ｋ列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１））は、信号線１３＿（ｎ＋１）を共有している。例えば、ｎ行目の信号線１３＿ｎは、ｎ行目のフォトセンサ１００＿ｎ（１列目のフォトセンサ１００＿ｎ〜ｋ列目のフォトセンサ１００＿ｎ）と電気的に接続され、（ｎ＋１）行目の信号線１３＿（ｎ＋１）は、（ｎ＋１）行目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）（１列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１）〜ｋ列目のフォトセンサ１００＿（ｎ＋１））と電気的に接続されている。
【０４００】
また各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５を共有している。例えば、図１９に示すように、１列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５を共有し、２列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５を共有し、ｋ列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５を共有している。
【０４０１】
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各列に複数本のフォトセンサ基準信号線１５を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。
【０４０２】
なお、図１９では、各列のフォトセンサにおいて、フォトセンサ基準信号線１５を共有し、各行のフォトセンサにおいて信号線１３を共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線１５を各行のフォトセンサにおいて共有しても良いし、信号線１３を各列のフォトセンサにおいて共有しても良い。
【０４０３】
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｋ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを駆動する駆動回路を簡略化することができる。
【０４０４】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０４０５】
１１    信号線
１２    信号線
１３    信号線
１４    ノード
１５    信号線
１６    信号線
１７    信号線
１８    ノード
１００    フォトセンサ
１０１    回路
１０２    フォトダイオード
１０３    トランジスタ
１０４    トランジスタ
１０５    トランジスタ
１０６    トランジスタ
２０１    パルス
２０２    パルス
２１０    導電膜
２１１    導電膜
２１２    導電膜
２１３    導電膜
２１４    導電膜
２１５    半導体膜
２１６    半導体膜
２１７    半導体膜
２１８    導電膜
２１９    導電膜
２２０    導電膜
２２１    導電膜
２２２    導電膜
２２３    導電膜
２２４    導電膜
２２５    導電膜
２２６    導電膜
２２７    導電膜
２２８    ゲート絶縁膜
２５０    活性層
２５１    基板
２８１    絶縁膜
２８２    絶縁膜
７００    基板
７０１    絶縁膜
７０２    半導体膜
７０３    半導体膜
７０４    フォトダイオード
７０５    ｎチャネル型トランジスタ
７０７    ゲート電極
７０８    絶縁膜
７１１    配線
７１２    絶縁膜
７１３    ゲート電極
７１４    ゲート絶縁膜
７１５    酸化物半導体層
７１６    導電膜
７１７    導電膜
７１８    導電膜
７１９    導電膜
７２０    導電膜
７２１    導電膜
７２２    絶縁膜
７２４    トランジスタ
７２７    領域
７２８    領域
７２９    領域
７３０    ゲート電極
７３１    ゲート絶縁膜
７３２    酸化物半導体層
７３３    チャネル保護膜
７３４    導電膜
７３５    導電膜
７３６    絶縁膜
７４１    ゲート電極
７４２    ゲート絶縁膜
７４３    導電膜
７４４    導電膜
７４５    酸化物半導体層
７４６    絶縁膜
７５１    ゲート電極
７５２    ゲート絶縁膜
７５３    導電膜
７５４    導電膜
７５５    酸化物半導体層
７５６    絶縁膜
７６１    ゲート電極
７６２    ゲート絶縁膜
７６３    導電膜
７６４    導電膜
７６５    酸化物半導体層
７６６    絶縁膜
【図１】
2013068606.tif 000016
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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